Experimental and numerical studies on the Portevin-LeChâtelier effect in Cu-Al and Al-Mg in strain and stress controlled tensile tests

Klose, Frank

doi:10.24355/dbbs.084-200603150100-33

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Experimental and numerical studies on the Portevin-LeChâtelier effect in Cu-Al and Al-Mg in strain and stress controlled tensile tests

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German

The scope of this work was to investigate the spatio-temporal instabilities due to strain softening during the localized plastic deformation of metals, denoted as Portevin-LeChatelier (PLC) Effekt, for the examples of polycrystalline Cu-15at.%Al and Al-3wt.%Mg. Applying a laser scanning extensometry technique during tensile tests at different deformation modes, i.e. straining at a constant stress-rate or strain-rate, respectively, and at various temperatures, provides an unambiguous classification of the types of instabilities as well as an independent determination of velocity, width, and strain concentration of the often propagating strain localization. These observations support the results of numerical simulations based on a recent model of Hähner. Starting with an introduction, the second chapter presents a phenomenological and theoretical description of the PLC effect and briefly summarizes the most important previous results. In the third chapter the experimental methods, especially the laser scanning extensometry technique and the stress-rate controlled tensile test is explained. The fourth chapter includes the presentation and discussion of all experimental results, separately for the two materials and for the two deformation modes, stress-rate and strain-rate control, respectively. The chapter ends with the main results of the numerical simulation. Taking into account the previous and recent results of this work, a final conclusion is drawn in the fifth chapter, and the main findings are briefly summarized in the last chapter.

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung raumzeitlicher Instabilitäten durch Dehnratenentfestigung bei der lokalisierten plastischen Verformung von Metallen, bekannt als Portevin-LeChatelier Effekt (PLC), am Beispiel von polykristallinem Cu-15at.%Al and Al-3wt.%Mg. Die Anwendung der Laserextensometrie bei Zugversuchen mit unterschiedlichen Verformungsmoden, nämlich Dehnung bei konstanter Spannungsrate bzw. bei konstanter Dehnrate unter Variation der Temperatur, ermöglicht die eindeutige Charakterisierung der Instabilitätstypen, sowie die unabhängige Bestimmung der Geschwindigkeit, Breite und Dehnungskonzentration der oftmals propagierenden Dehnungslokalisationen. Numerische Simulationen zu einem neuen theoretischen Modell von Hähner sind im Einklang mit den experimentellen Befunden. Nach einer Einführung im ersten Kapitel stellt das zweite Kapitel eine phänomenologische und theoretische Beschreibung des PLC Effektes sowie eine Zusammenstellung wichtiger bisheriger Befunde bereit. Das dritte Kapitel beschreibt die experimentellen Methoden, insbesondere die Laserextensometrie und den Zugversuch unter Spannungsratenkontrolle. Im vierten Kapitel werden sowohl die experimentellen Befunde getrennt für die beiden Materialien und die beiden Versuchsmodi, Spannungsraten- und Dehnratenkontrolle, als auch einige wesentliche Ergebnisse der numerischen Simulation beschrieben und diskutiert. Das fünfte Kapitel bildet eine umfassende Schlussfolgerung aus früheren und aktuellen Ergebnissen, die im letzten Kapitel noch einmal kurz zusammengefasst wird.