Development and implementation of a cyclic plasticity model with thermal softening for hot work tool steel

Abstract

Warmumformwerkzeuge unterliegen während des Betriebes komplexen thermischen und mechanischen Beanspruchungen. In kritischen Bereichen können dadurch lokal Spannungen entstehen, die die Fließgrenze überschreiten. Bei der Serienproduktion führt dies zu zyklischen plastischen Verformungen und zu thermomechanischer Ermüdung, welche die Lebensdauer der Warmumformwerkzeuge maßgeblich beeinflussen kann. Um den hohen Belastungen standzuhalten, werden die Warmumformwerkzeuge typischerweise aus vergüteten martensitischen Warmarbeitsstählen hergestellt. Während die Anlasstemperaturen der Werkzeugstähle gewöhnlich im Bereich zwischen 400 und 600 °C liegen, können die Stähle während der Warmformung sogar noch höhere Temperaturen ausgesetzt sein und daher durch Änderung der Mikrostruktur entfestigen. Daher werden in dieser Arbeit die temperaturabhängigen zyklischen Materialeigenschaften des häufig verwendeten Warmarbeitsstahls 1.2367 (X38CrMoV5-3) bei verschiedenen Auslagerungszuständen untersucht. Zu diesem Zweck werden Härtemessungen durchgeführt. Des Weiteren werden durch das Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) Versuchsergebnisse aus zyklischen Versuchen bei Temperaturen im Bereich von 20 °C (Raumtemperatur) bis 650 °C bereitgestellt. Zur Beurteilung der zeit- und temperaturabhängigen Entfestigung während des Auslagerns, wird ein kinetisches Modell zur Beschreibung der mittleren Teilchengröße von Sekundärkarbiden (Ostwaldreifung) entwickelt. Darüber hinaus werden sowohl mechanismenbasierte als auch phänomenologische Beziehungen für die zyklischen mechanischen Eigenschaften des Ramberg-Osgood-Modells in Abhängigkeit von der Karbidgröße und der Temperatur eingeführt. Aus den ermittelten Materialeigenschaften des kinetischen und mechanischen Modells lassen sich die gemessenen Spannungs-Dehnungs-Hysteresen für unterschiedliche Temperaturen und Auslagerungszustände gut beschreiben. Zudem eignet sich das Modell zur Einbindung in fortschrittliche mechanismenbasierte Lebensdauermodelle. Da sich das Ramberg-Osgood-Modell nicht für Berechnung mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) eignet, wird zudem ein tempe-raturabhängiges inkrementelles zyklisches Plastizitätsmodell für den Warmarbeitsstahl vorgestellt. Somit kann die Entfestigung durch Teilchenvergröberung bei der Finite-Elemente-Berechnung berücksichtigt werden. Das Plastizitätsmodell nutzt Rückspannungen zur Beschreibung des Bauschinger-Effekts. Es ist über Subroutinen in das Finite-Elemente-Programm ABAQUS für implizite Integration (als UMAT bezeichnete Subroutine) und explizite Integration (als VUMAT bezeichnete Subroutine) implementiert. Das implementierte Modell wird zur Berechnung eines exemplarischen Warmumformprozesses verwendet um die Auswirkungen der Entfestigung durch Teilchenvergröberung zu beurteilen. Dabei zeigt sich, dass die thermische Entfestigung durch hohe Temperaturen, die über eine längere Zeit an einem mechanisch hochbelasteten Bereich auftritt, einen großen Einfluss auf die plastische Verformung hat. Bleibt dieser Effekt bei der Werkzeugauslegung unberücksichtigt, kann es zu einem unerwarteten Werkzeugausfall kommen, der einen Stillstand der Produktion verursacht.

Hot working tools are subjected to complex thermal and mechanical loads during service. Locally, the stresses can exceed the material’s yield strength in highly loaded areas. During production, this causes cyclic plastic deformation and thus thermomechanical fatigue, which can significantly shorten the lifetime of hot working tools. To sustain this high loads, the hot working tools are typically made of tempered martensitic hot work tool steels. While the annealing temperatures of the tool steels usually lie in the range of 400 to 600 °C, the steels may experience even higher temperatures during hot working, resulting in softening of the material due to changes in microstructure. Therefore, the temperature-dependent cyclic mechanical properties of the frequently used hot work tool steel 1.2367 (X38CrMoV5-3) after tempering are investigated in this work. To this end, hardness measurements are performed. Furthermore, the Institute of Forming Technology and Machines (IFUM) provides test results from cyclic tests at temperatures ranging from 20 °C (room temperature) to 650 °C. To describe the observed time- and temperature-dependent softening during tempering, a kinetic model for the evolution of the mean size of secondary carbides based on Ostwald ripening is developed. In addition, both mechanism-based and phenomenological relationships for the cyclic mechanical properties of the Ramberg- Osgood model depending on carbide size and temperature are proposed. The stress-strain hysteresis loops measured at different temperatures and after different heat treatments can be well described with the proposed kinetic and mechanical model. Furthermore, the model is suitable for integration in advanced mechanism-based lifetime models. However, since the Ramberg-Osgood model is not suitable for finite element implementation, a temperature-dependent incremental cyclic plasticity model is presented as well. Thus, softening due to particle coarsening can be applied in the finite element method (FEM). Therefore, a kinetic model is coupled with a cyclic plasticity model including kinematic hardening. The plasticity model is implemented via subroutines in the finite element program ABAQUS for implicit integration (subroutine called UMAT) and explicit integration (subroutine called VUMAT). The implemented model is used for the simulation of an exemplary hot working process to assess the effects of softening due to particle coarsening. It shows that the thermal softening at high temperatures, which occur over a long time at a mechanically highly loaded area, has a great influence. If this influence is not considered in tool design, an unexpected tool failure might occur bringing the production to a standstill.