Crystal Plasticity (CP) modeling is a powerful and well established computational materials science tool to investigate mechanical structure–property relations in crystalline materials. It has been successfully applied to study diverse micromechanical phenomena ranging from strain hardening in single crystals to texture evolution in polycrystalline aggregates. However, when considering the increasingly complex microstructural composition of modern alloys and their exposure to—often harsh—environmental conditions, the focus in materials modeling has shifted towards incorporating more constitutive and internal variable details of the process history and environmental factors into these structure–property relations. Technologically important fields of application of enhanced CP models include phase transformations, hydrogen embrittlement, irradiation damage, fracture, and recrystallization. A number of niche tools, containing multi-physics extensions of the CP method, have been developed to address such topics. Such implementations, while being very useful from a scientific standpoint, are, however, designed for specific applications and substantial efforts are required to extend them into flexible multi-purpose tools for a general end-user community. With the Düsseldorf Advanced Material Simulation Kit (DAMASK) we, therefore, undertake the effort to provide an open, flexible, and easy to use implementation to the scientific community that is highly modular and allows the use and straightforward implementation of different types of constitutive laws and numerical solvers. The internal modular structure of DAMASK follows directly from the hierarchy inherent to the employed continuum description. The highest level handles the partitioning of the prescribed field values on a material point between its underlying microstructural constituents and the subsequent homogenization of the constitutive response of each constituent. The response of each microstructural constituent is determined, at the intermediate level, from the time integration of the underlying constitutive laws for elasticity, plasticity, damage, phase transformation, and heat generation among other coupled multi-physical processes of interest. Various constitutive laws based on evolving internal state variables can be implemented to provide this response at the lowest level. DAMASK already contains various CP-based models to describe metal plasticity as well as constitutive models to incorporate additional effects such as heat production and transfer, damage evolution, and athermal transformations. Furthermore, the implementation of additional constitutive laws and homogenization schemes, as well as the integration of a wide class of suitable boundary and initial value problem solvers, is inherently considered in its modular design.

The mechanical response of multiphase alloys is governed by the microscopic strain and stress partitioning behavior among microstructural constituents. However, due to limitations in the characterization of the partitioning that takes place at the submicron scale, microstructure optimization of such alloys is typically based on evaluating the averaged response, referring to, for example, macroscopic stress–strain curves. Here, a novel experimental–numerical methodology is introduced to strengthen the integrated understanding of the microstructure and mechanical properties of these alloys, enabling joint analyses of deformation-induced evolution of the microstructure, and the strain and stress distribution therein, down to submicron resolution. From the experiments, deformation-induced evolution of (i) the microstructure, and (ii) the local strain distribution are concurrently captured, employing in situ secondary electron imaging and electron backscatter diffraction (EBSD) (for the former), and microscopic-digital image correlation (for the latter). From the simulations, local strain as well as stress distributions are revealed, through 2-D full-field crystal plasticity (CP) simulations conducted with an advanced spectral solver suitable for heterogeneous materials. The simulated model is designed directly from the initial EBSD measurements, and the phase properties are obtained by additional inverse CP simulations of nanoindentation experiments carried out on the original microstructure. The experiments and simulations demonstrate good correlation in the proof-of-principle study conducted here on a martensite–ferrite dual-phase steel, and deviations are discussed in terms of limitations of the techniques involved. Overall, the presented integrated computational materials engineering approach provides a vast amount of well-correlated structural and mechanical data that enhance our understanding as well as the design capabilities of multiphase alloys.

There are several facets of aluminum when it comes to sustainability. While it helps to save fuel due to its low density, producing it from ores is very energy-intensive. Recycling it shifts the balance towards higher sustainability, because the energy needed to melt aluminum from scrap is only about 5% of that consumed in ore reduction. The amount of aluminum available for recycling is estimated to double by 2050. This offers an opportunity to bring the metallurgical sector closer to a circular economy. A challenge is that large amounts of scrap are post-consumer scrap, containing high levels of elemental contamination. This has to be taken into account in more sustainable alloy design strategies. A “green aluminum” trend has already triggered a new trading platform for low-carbon aluminum at the London Metal Exchange (2020). The trend may lead to limits on the use of less-sustainable materials in future products. The shift from primary synthesis (ore reduction) to secondary synthesis (scrap melting) requires to gain better understanding of how multiple scrap-related contaminant elements act on aluminum alloys and how future alloys can be designed upfront to become scrap-compatible and composition-tolerant. The paper therefore discusses the influence of scrap-related impurities on the thermodynamics and kinetics of precipitation reactions and their mechanical and electrochemical effects; impurity effects on precipitation-free zones around grain boundaries; their effects on casting microstructures; and the possibilities presented by adjusting processing parameters and the associated mechanical, functional and chemical properties. The objective is to foster the design and production of aluminum alloys with the highest possible scrap fractions, using even low-quality scrap and scrap types which match only a few target alloys when recycled.