Thermo-mechanical behavior of a zinc die casting alloy considering natural aging

Martinez Page, Maria de los Angeles GND

Nowadays, a main task in the production sector is the optimization of components and production processes in order to reduce costs and improve the quality of products. Nu- merical simulations have become a fundamental tool, as they allow the optimization even before the actual production starts. For the simulation of the mechanical behavior of component parts, an appropriate constitutive material model is necessary. Since ma- terial behavior is usually very complex, models are developed for a specific application area. The zinc die casting alloy Zamak 5 is widely used in the automotive industry because of its excellent castability and its good mechanical properties. However, it exhibits a complex thermo-mechanical behavior, which additionally changes gradually over the course of time. This effect is known as aging and is caused by microstructural changes such as diffusion, phase transformation and precipitation in the material. These pro- cesses are temperature activated. This thesis proposes a material model of thermo-viscoplasticitywith the goal of repro- ducing the thermo-mechanical behavior of the alloy Zamak 5 considering the influence of natural aging in finite element computations. This is performed on the basis of an extensive experimental campaign, in which the thermo-mechanical behavior is charac- terized with tension, compression and torsion tests at different loading conditions and for different aging times. The material shows a strong rate and temperature dependence and a moderate dependence on natural aging. Additionally, several thermo-physical properties which are necessary in the heat equation are also measured. Moreover, the microstructure of the alloy is investigated with a scanning electron microscope and X- ray diffractometry for different aging times in order to describe the microstructural pro- cesses which take place during aging. At first, the material model is developed for the small deformation case since, in this case, the torsion tests can be considered as one-dimensional and purely deviatoric, which is advantageous during the identification process. Moreover, several temperature and aging dependent material functions are developed during the identification process. The model is extended later on to the finite strain case in order to be able to compute processes in which the strains are larger than 5%. The models are based on the additive decomposition of the strain tensor (for the small strain model) or multiplicative decom- position of the deformation gradient (for the finite strain model). In both cases, there is a component representing each of the different effects contained in the model: aging, temperature and rate-dependence. Furthermore, the total stress is decomposed into an equilibrium and an overstress part in order to identify them in a partitioned manner. The model is implemented in the finite element code Abaqus. The behavior of the model is demonstrated using several simulation examples. Finally, simulations of a real component part (steering-wheel lock of a car), and a cylinder with a hole are compared with complex experiments in which inhomogeneous stress and strain states are reached for different loading conditions. With this information, the developed material model is validated.

In der industriellen Produktentwicklung ist heutzutage eine der Hauptaufgabenstellungen die Optimierung von Komponenten und Produktionsprozessen, um so Kosten zu reduzieren und die Qualität zu verbessern. Dabei sind numerische Simulationen ein grundlegendes Werkzeug, da sie eine Optimierung schon vor dem Beginn der eigentlichen Produktion erlauben. Für die Simulation des mechanischen Verhaltens von Komponenten ist ein adäquates konstitutives Materialmodell notwendig. Da das Materialverhalten im Allgemeinen sehr komplex ist, werden Materialmodelle für das jeweilige Anwendungsgebiet entwickelt. Dank ihrer hervorragenden Druckgusseigenschaften und dem guten mechanischen Verhalten wird die Zinkdruckgusslegierung Zamak 5 großflächig in der Automobilindustrie verwendet. Allerdings weist sie ein komplexes thermo-mechanisches Verhalten auf, welches sich mit fortschreitender Zeit verändert. Dieser temperaturaktivierte Effekt ist bekannt unter dem Namen Alterung und wird durch Mikrostrukturänderungen wie Diffusion, Phasentransformation und Ausscheidung verursacht. Diese Arbeit dient der Entwicklung eines thermo-viskoplastischen Materialmodells mit dem Ziel, die thermo-mechanischen Eigenschaften sowie die Alterung der Legierung Zamak 5 zu reproduzieren, um eine Anwendung in Finite-Elemente-Simulationen zu ermöglichen. Dies geschieht auf der Basis von experimentellen Untersuchungen, in denen das thermo-mechanische Verhalten mit Hilfe von Zug-, Druck- und Torsionsversuchen unter verschiedenen Belastungspfaden und Alterungszeiten charakterisiert wird. Das Material zeigt eine starke Dehnraten- und Temperaturabhägigkeit sowie eine moderate Abhängigkeit von der Alterungszeit. Außerdem wurden verschiedene thermophysikalische Eigenschaften in Hinblick auf die Behandlung der Wärmeleitungsgleichung gemessen. Zudem wurde dieMikrostrukstur der Legierung mit einem Rasterelektronenmikroskop und einem Röntgendiffraktometer bei verschiedenen Alterungszeiten untersucht, um dieMikrostrukturprozesse zu beschreiben, welche während der Alterung stattfinden. Zuerst wird das Materialmodell für den Fall der kleinen Deformationen entwickelt. Dabei werden die Torsionsversuche als eindimensional und rein deviatorisch betrachtet, was vorteilhaft für den nachfolgenden Identifikationsprozess ist. Dabei werden mehrere temperatur- und alterungsabhängige Materialfunktionen entwickelt. Später wird das Modell für den Fall von finiten Deformationen erweitert, um Prozesse mit mehr als 5% Dehnung darstellen zu können. Die Modelle basieren auf einer additiven Zerlegung des Dehnungstensors (für kleine Deformationen) bzw. einer multiplikativen Zerlegung des Deformationsgradienten (im Fall finiter Deformationen). In beiden Fällen existieren Komponenten, welche die verschiedenen Effekte des Modells (wie Alterungs-, Temperatur- und Ratenabhängigkeit) wiedergeben. Weiterhin wird eine Spannungszerlegung in Gleichgewichts- und Überspannungen durchgeführt. Das Modell wird in den Finite-Elemente-Code Abaqus implementiert und dessen Verhalten an verschiedenen Simulationsergebnissen demonstriert. Letztendlich werden Simulationen eines realen Bauteils (ein Lenkradschloss eines Fahrzeugs) und eines Hohlzylinders mit Loch mit experimentellen Messdaten von inhomogenen Spannungs- und Dehnungszuständen unter verschiedenen Belastungspfaden miteinander verglichen um das Materialmodell zu validieren.

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Martinez Page, Maria: Thermo-mechanical behavior of a zinc die casting alloy considering natural aging. 2019.

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