Constitutive model of the TWIP effect in a polycrystalline high manganese content austenitic steel

The TEM study of our steel with a high manganese content reveals that mechanical twining (TWIP effect) occurs during the deformation at room temperature. Microtwins are organised into parallel stacks and two systems are sequentially activated in each grain. They participate to the deformation and they are strong obstacles for the dislocations and for other twins, leading to the decrease of the effective grain size. Thus, TWIP provides our alloy a very good ductility and a high hardening rate. Our constitutive modelling deduced from a model proposed by Bouaziz and Guelton [4] integrates this typical organisation of microtwins. Twinning is quantified in each grain by the partial volume fraction of twins in each system. A nucleation law for the microtwins is introduced which depends on the local stress and the stress relaxation due to pre‐existing twins. The flow stress is deduced from the dislocation density, which evolves with the dynamical recovery and the decrease of the mean free path (MFP). The MFP takes into account the grain and twin boundaries and the forest dislocations. The strain is calculated by adding the contributions of dislocation glide and twinning accounting the orientation of the grain. To treat the polycristal, the behaviours of different grain orientations are mixed by assuming at each strain step that the increment of elastic energy stored is the same in each grain. The model was successfully applied to describe the mechanical properties of our alloy, for two different grain sizes. Some microstructural parameters are yet fitted. This leads to an insufficient prediction of the evolution of the microstructure. In further developments, we expect to introduce numerical simulation results on local characteristics of microtwins (thickness, critical resolved shear stress for twinning) and experimental results on the rate of twin nucleation. Konstitutives Modell des TWIP‐Effekts in einem polykristallinen austenitischen Stahl mit hohem Mangangehalt. TEM‐Studien an Stählen mit hohen Mangangehalten weisen mechanische Zwillingsbildung (TWIP‐Effekt) während der Umformung bei Raumtemperatur nach. Mikrozwillinge ordnen sich in parallelen Stapeln an; zwei Systeme werden nacheinander in jedem Korn aktiviert. Sie sind an der Umformung beteiligt und stellen schwere Hindernisse für Versetzungen und andere Zwillinge dar, was zu einer Verringerung der effektiven Korngröße führt. Auf diese Weise sorgt TWIP in dieser Legierung für gute Duktilität und eine hohe Verfestigung. Ausgehend von dem Modell, das Bouaziz and Guelton vorschlugen, wird ein konstitutives Modell hergeleitet, das diese charakteristische Anordnung von Mikrozwillingen integriert. Die Zwillingsbildung in jedem Korn wird durch den partiellen Volumenanteil an Zwillingen im gesamten System quantifiziert. Ein Keimbildungsgesetz für Mikrozwillinge wird eingeführt, das von der örtlichen Spannung und Spannungsrelaxation abhängt. Die Fließspannung wird aus der Versetzungsdichte abgeleitet, die mit der dynamischen Erholung und dem Rückgang der mittleren freien Weglänge (MFP) zusammenhängt. Letztere Größe berücksichtigt auch die Korn‐ und Zwillingsgrenzen und die Waldversetzungen. Die Dehnung läßt sich durch Addierung der Beiträge von Versetzungsgleitung und Zwillingsbildung berechnen. Mit Hinblick auf den Polykristall wurde das Verhalten verschiedener Kornorientierungen zusammengenommen, indem man für jede Dehnungsstufe annimmt, daß das Inkrement an gespeicherter elastischer Energie in jedem Korn gleich ist. Das Modell ließ sich erfolgreich auf die Beschreibung der mechanischen Eigenschaften der untersuchten Legierung mit zwei verscheidenen Korngrößen anwenden. Einige Gefügeparameter wurden schon angepaßt, führten jedoch zu einer ungenügenden Vorhersage der Mikrostrukturentwicklung. In weiteren Versuchen sollen numerische Simulationsergebnisse für örtliche Eigenschaften von Mikrozwillingen und Versuchsergebnisse zur Geschwindigkeit der Zwillingskeimbildung eingeführt werden.