Precision tube production influencing the eccentricity, residual stresses and texture developments: experiments and multiscale simulation

Foadian, Farzad

The key and foremost aim of this work was to optimize the standard tube drawing process in a way that the wall-thickness variation (eccentricity) of the drawn tubes can be controlled during the tube drawing process. “Eccentricity control” refers to either reducing or increasing the eccentricity. Being able to control the eccentricity is especially interesting for high priced materials as well as tubes with tight tolerance requirements (precision tubes). To be able to control it, the standard drawing method was optimized and tilting of the die or offset (shifting) of the tube was introduced. To perform the tube drawing with tilting/offset, initially the required tools were built for the existing tube drawing machine in the Institute of Metallurgy at Clausthal University of Technology and all tests were performed on this machine on laboratorial scale. To find a general rule for the tubes’ behavior concerning eccentricity, different drawing steps and materials (copper, aluminum, brass, and steel) with different tube dimensions were investigated varying the tilting angles, offset values, or a combination of tilting and offset. After analyzing the effect of tilting/offset on the eccentricity of the drawn tubes, to know in which way tilting and/or offset influence the developed Residual Stresses (RSs), the evolution of the RSs due to the introduced tilting and/or offset was investigated. For analysis hole drilling and neutron diffraction methods were chosen. Hole drilling is a fast and quite inexpensive method, but the results are limited to the surface of the tube. In contrary, using the neutron diffraction method, the whole wall-thickness of the tube can be measured (the measurements were done using SALSA instrument at ILL in Grenoble/France); however, it is an expensive method. The measurements done with neutron diffraction were used also to prepare required data (as input as well as validation data) for the simulation. The anisotropic behavior and the crystallographical evolution of the tubes drawn with tilting were investigated to make sure that their final properties are not being significantly directionally dependent of the crystallographical directions. Considering anisotropy and mass flow, it was decided to analyze the texture evolution of the tubes before and after drawing with tilting, to state whether tilting creates significant different textures (crystallographical orientations) and/or affect the mass flow in a detectable way. To study these parameters, the macro- and micro-texture of the tubes were investigated. Using macro-texture, different crystallographical orientations can be compared before and after drawing and it can be investigated, whether the tilting creates different texture. Micro-texture was studied to be able to detect possible inhomogeneities over wall-thickness of the tubes. For macro-texture analyses, synchrotron and neutron diffraction methods were used. The reason for choosing two different methods was the coarse grain size of the as-received tubes, not possible to be measured by synchrotron method, and therefore neutron method was used. Synchrotron and neutron diffraction measurements were done using HEMS instrument at PETRA III in Hamburg/Germany and STRESS-SPEC instrument at FRM II in Munich/Germany, respectively. Moreover, these results were used as input for the simulations as well as validation data. The micro-texture evolution of the as-received and drawn tubes was measured using the electron backscattering diffraction method (EBSD). The achieved results have shown the possibility of controlling the eccentricity during drawing for copper, aluminum, and brass in a same way. Depending on the application, it is possible to produce tubes with lower or higher eccentricity. In case of copper, tilting the die about 5° and putting the minimum wall-thickness of the tube in the direction of tilting resulted in approx. 48% eccentricity reduction (compared to 18% average eccentricity reduction by standard drawing) for one pass. By using the same tilting angle and placing the maximum wall-thickness of the tube in the direction of tilting, the eccentricity was considerably increased, which is interesting for applications in which the local thickening is required. The average eccentricity increase achieved by this tilting angle was about 50%. Shifting the tube about 6 mm and placing the minimum side of the tube in the direction of shifting reduced the eccentricity about 46% in one pass. Comparing RSs results for standard and tilted drawn tubes show the possibility of influencing the RSs clearly, as well. The macro- and micro-texture of the tubes drawn with tilting have shown the development of same orientation, which were developed by standard drawing. However, the density of the pole figure and Orientation Distribution Function (ODF) in case of tilting was significantly higher, which shows the developed texture in tubes with tilting was sharper. Performing various tube drawing investigations on different materials with different as-received RSs and different initial textures, having different tilting/offset values, are very expensive (from time and experimental method point of views) and not all combination can be studied experimentally. Therefore, to be able to study different parameters, also to have a better understanding of the process, it was decided to develop a simulation model, which takes into account properties of the as-received materials – such as eccentricity, RSs, initial texture, mechanical – and therewith analyzes more complex situations. For this goal, a multiscale simulation approach based on the Integrated Computational Material Engineering (ICME) was used. To develop such a model, a FEM approach, in this case a structural scale simulation, was used. Therewith it was possible to simulate the eccentricity, RSs, and mechanical behavior of the drawn tube. However, in order to be able to simulate texture developments, a Crystal Plasticity (CP) approach – which is a mesoscale simulation - was used. This approach was integrated in the FEM simulations using UMAT subroutine. In studying texture evolutions, it is important to consider the anisotropic elastic and plastic behaviors of the material. The anisotropic hardening behavior was calculated using the Dislocation Dynamics (DD) theory (microscale simulation). One important parameter in DD calculations is the dislocation mobility, been calculated by a Molecular Dynamics (MD) approach, which is an atomistic scale simulation. The proper potential, necessary for MD calculations, was created by a Molecular Embedded Atom Method (MEAM) approach, which is an atomistic scale approach, as well. Moreover, by MEAM calculations, the elastic constants of copper have been calculated. ��11, ��12, and ��44 were identified to be 169.20, 123.19 and 77.20 GPa, respectively. Finally, the required data for the creation of the above-mentioned potential was calculated by using the Density Function Theory (DFT) – an electronic scale simulation.

Bei der Herstellung von Rohren ermöglicht die Verringerung von Wanddickenschwankungen, beschrieben durch die Rohrexzentrizität, Materialeinsparungen und damit – für materialkostenintensive Werkstoffe - deutliche Kosteneinsparungen. Je höher man die Anforderungen an die Maßhaltigkeit stellt und je weiter man in den Toleranzvorgaben eingeschränkt wird, desto stärker müssen korrigierende Mechanismen in Anspruch genommen werden, die sich direkt auf die Homogenität der Werkstoffeigenschaften und nicht zuletzt auf die lokale Eigenspannungsverteilung auswirken, desto stärker lokalisieren sich ihre Auswirkungen und umso wichtiger wird ihre Quantifizierung. Das Resultat ist eine verbesserte Materialeffizienz, die zu einer Einsparung von Rohstoffen führt. Des Weiteren ist es für bestimmte konstruktive Anwendungen wünschenswert, lokale Inhomogenitäten zu erzeugen. Ziel des Vorhabens war es deshalb, eine qualitative und quantitative Erfassung der Möglichkeiten zur lokalen Beeinflussung der Rohrwanddicke - in erster Linie um vorhandene Dickenabweichungen über den Rohrumfang zu reduzieren – vorzunehmen. Dazu wurde der Effekt der Matrizenkippung und/oder der Verschiebung des Rohres (Versatz) auf die Exzentrizität untersucht. Dabei waren nicht nur die Einstellung der Exzentrizität und der Eigenspannungen das Ziel, sondern auch die Kontrolle dieser beiden Parameter. Die gewählte Vorgehensweise war eine Kombination aus Simulation und experimentellem Teil. Diese beiden Ansätze wurden weitestgehend parallel durchgeführt. Rohrziehuntersuchungen unter Variation des Kippwinkels und Versatzes für unterschiedliche Werkstoffe mit unterschiedlichen Ausgangseigenschaften sind zeit- und kostenintensiv. Darüber hinaus können nicht alle Kombinationen experimentell untersucht werden. Um dieses Problem zu überwinden und das Verfahren besser zu verstehen, wurde ein Simulationsmodell entwickelt, das wesentliche Eigenschaften der Ausgangsmaterialien - Exzentrizität, Eigenspannungen, Textur, und mechanische Eigenschaften – berücksichtigen kann und damit in der Lage ist, komplexere Prozesssituationen zu analysieren. Darüber hinaus bietet das Modell die Möglichkeit, auch die Texturentwicklung im Rohr mit und ohne Kippung zu beschreiben, ohne dass aufwändige Neutronen-, Synchrotron- oder Elektronenmessungen durchgeführt werden müssen. Zur Zielerreichung wurde ein Multiskalen-Simulationsansatz, basierend auf das Integrated Computational Material Engineering (ICME), verwendet. Seine Entwicklung stellt den zweiten wesentlichen Fokus dieser Arbeit dar. Die Messung der Wandstärken von Rohren unterschiedlicher Materialen - Kupfer, Aluminium, Messing und Stahl - sowie die Messung und Berechnung der Exzentrizität wurden vorrangig durchgeführt. Die Basisuntersuchungen wurden an Kupferrohren durchgeführt. Zur Erweiterung und Validierung der Ergebnisse wurden die anderen Sorten herangezogen. Es wurden unterschiedliche Kippwinkel und Versatzeinstellungen an den Rohren gewählt. Die rekristallisierend geglühten Kupferrohre wurden mehrfach gezogen, um den Effekt der Kaltverfestigung auf die Exzentrizitätsänderung zu erfassen. Die Ergebnisse der Kippung haben gezeigt, dass es möglich ist, die Exzentrizität kontrolliert zu beeinflussen und die Rohrwanddicke lokal sowohl zu reduzieren wie auch aufzudicken. Eine Kippung von -5° - das negative Vorzeichen bedeutet, dass die minimale Wandstärke des Rohres in der Kipprichtung lag - führte beim ersten Ziehen zu einer Reduzierung der Exzentrizität um ca. 50%. Im Vergleich dazu führte der Standardziehprozess (0°) lediglich zu einer Exzentrizitätsabnahme von ca. 1%, ein Kippwinkel von +5° führte zu einer Exzentrizitätserhöhung (Aufdickung) von ca. 50% im Max-Bereich. Die Einführung eines Kippwinkels in den Ziehprozess ändert die benötigte Ziehkraft nicht wesentlich. Ein ähnliches Verhalten konnte bei einer Verschiebung (Versatz) des Rohres aus der Ziehachse beobachtet werden. Ein Versatz von -6 mm führt zu einer Reduzierung der Exzentrizität um ca. 25%. Kippung und die Verschiebung wurden außerdem in Kombination untersucht. Neben den Kupferrohren wurden stichprobenartig auch die übrigen Werkstoffe Ziehversuchen mit Kippung unterworfen; Versatz wurde bei ihnen nicht untersucht. Aluminium und Messing zeigten ein dem Kupfer sehr ähnliches Verhalten, die Untersuchungen an Stahlrohren jedoch zeigten deutliche Unterschiede. Zur Untersuchung des Einflusses von Kippung/Versatz beim Rohrzug auf die Ausbildung von Eigenspannungen wurden diese überwiegend mittels der Bohrlochmethode (zerstörend, oberflächennah) und – an ausgewählten Proben – mit Hilfe der Neutronenstrahlung (zerstörungsfrei, lokal über die Wandstärke) untersucht. Die Ergebnisse zeigten für alle Werkstoffe, dass bei einem Kippwinkel von 5° (sowohl positiv als auch negativ) die erreichten Eigenspannungen im Bereich des ersten Auftreffens des Rohres auf die Matrize (gegenüber der Kipprichtung der Matrize) geringer als im Standardziehverfahren sind. Parallel zur Untersuchung der Exzentrizität und der Eigenspannungen wurden die Anisotropie der gezogenen Rohre und deren kristallographische Entwicklung untersucht. Damit sollte zum einen das Verständnis zum Einfluss der Kippung auf das anisotrope Verhalten des Rohres verbessert werden und zum anderen bestätigt werden, dass nach dem Rohrziehen mit Kippung keine wesentlich geänderte Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften vorliegt. Die experimentelle Durchführung des Rohrziehens unter Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenspannungen und Texturen, mit unterschiedlichen Kippwinkeln und Versätzen, ist sehr zeitaufwändig und teuer, besonders dann, wenn eine Vielzahl an Kombinationen untersucht werden sollen. Um hier eine Variabilität zu gewährleisten und um das Prozessverständnis zu verbessern, wurde ein Simulationsmodell entwickelt. Die Eingabewerte des Modells sind die Eigenschaften des Ausgangsrohres wie die Exzentrizität, Eigenspannungen, die Textur die und mechanischen Kennwerte. Zur Entwicklung des Modells wurde eine Multiskalen-Simulationsmethode mit ICME-Ansatz genutzt. Um die für die Simulation erforderlichen Eingaben zu erhalten, wurden unterschiedliche Simulationslängen genutzt: Density function theory; modified embedded-atom method; molecular dynamics; dislocation dynamics; crystal plasticity; und FEM. Mittels berechneter und gemessener Exzentrizität, Eigenspannungen, Spannungs-Dehnungs-Diagrammen und Texturen konnten die Ergebnisse des FEM-Models erfolgreich validiert werden. Damit liegt ein Simulationstool vor, das den Rohrziehprozess bei Einsatz unterschiedlicher Kippwinkel und Versätze für unterschiedliche Werkstoffe und Ausgangsbedingungen (Eigenspannungen und Texturen) hinsichtlich seiner Auswirkungen auf das Endprodukt zuverlässig beschreibt.

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Foadian, Farzad: Precision tube production influencing the eccentricity, residual stresses and texture developments: experiments and multiscale simulation. 2018.

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