Ermittlung von Umformgrenzen zweier hochlegierter Stähle

Bachelorarbeit von Jan Perne

Problemstellung:

Beim Schmieden von Werkstücken ist aus technischen und wirtschaftlichen Gründen eine genaue Kenntnis der Umformgrenzen wünschenswert. Deren Überschreitung kann bei hochlegierten Stählen zum Entstehen von Oberflächenfehlern führen, die eine Nachbearbeitung des Werkstücks erforderlich machen. Aus diesem Grund werden im Rahmen des AIF-Projektes „Vermeidung von Oberflächenfehlern“ die Umformgrenzen zweier Stähle bestimmt.

Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst durch eine Literaturrecherche geprüft, mit welchen Risshypothesen die Vorhersage des Risseintritts bei Umformprozessen mit Hilfe der numerischen Simulation möglich ist. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Beurteilung der Eignung für Warmumformprozesse, insbesondere für das Freiformschmieden.

Weiterhin sollen die Rissgrenzschaubilder zweier Stähle für verschiedene Temperaturen und Umformgeschwindigkeiten auf der Basis bereits erfolgter Stauchversuche mit Schallemissionsanalyse bestimmt werden. Zur Bestimmung der Umformgrenzen eines Werkstoffes werden am IBF Stauchversuche mit SE-Analyse mit standardisierten Probengeometrien eingesetzt. Durch die numerische FEM-Simulation dieser werden die Formänderungsgeschichten im risskritischen Bereich ermittelt und sogenannte Rissgrenzschaubilder für die Werkstoffe 1.2367 und 1.6957 erstellt.

Inhaltsverzeichnis:

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Textprobe:

Kapitel 2.3.4, Bewertung der Eignung für FEM-Simulationen: In seiner Arbeit untersucht Zitz u.a. die Gültigkeit der einzelnen Risshypothesen für die Kaltumformung, mit Ausnahme der von Gurson, auf ihre Vorhersagefähigkeit in Bezug auf Rissort und -zeitpunkt beim Stauchen von AlCuMg. Bei der Vorhersagefähigkeit für den Rissort erzielten alle mikromechanischen Hypothesen sowie zwei der makromechanischen, zeitabhängigen Hypothesen gute Ergebnisse und konnten bei mind. acht von neun Probengeometrien den Rissentstehungsort korrekt vorhersagen.

Für die Überprüfung der Vorhersagefähigkeit in Bezug auf den Risszeitpunkt werden nur die fünf Risshypothesen verwendet, die bereits den Rissort zufriedenstellend vorhergesagt hatten. Dazu werden die ermittelten Schadenswerte für jede Hypothese für verschiedene Probengeometrien aufgetragen. Theoretisch sollte der Schadenswert für jede Probenform bei Rissentstehung gleich groß sein. Tatsächlich ergeben sich jedoch auch bei den beiden am erfolgreichsten abschneidenden Hypothesen von Oyane et al. und Rice & Tracey Abweichungen der Schadenswerte vom Mittelwert von fast 30 Prozent, was ihre Verwendbarkeit zur Bestimmung des Risszeitpunktes stark einschränkt.

Auch wenn eine umfassende Untersuchung der Verwendbarkeit der Risskriterien bei der Warmumformung bislang fehlt, wurden einzelne Kriterien dennoch auf Warmumformversuche angewendet und ihre Gültigkeit für den jeweiligen Fall überprüft. Dabei wurde von Kopp ein Risskriterium basierend auf dem von Oh et al. in Verbindung mit der FEM erfolgreich zur Vorhersage des risskritischen Ortes verwendet. Die Gültigkeit der Hypothesen nach Brozzo und nach Oh beim Einsatz in der Warmumformung wurden von Shimahara aufgezeigt. Eine Aussage zur Vorhersagefähigkeit des Risszeitpunktes wurde in diesen Arbeiten nicht gemacht.

A. Behrens und H. Just haben in Ihrer Arbeit das Modell der effektiven Spannungen in die FEM-Simulationssoftware MSC.AutoForge integriert und auf Kaltumform- und Halbwarmumformprozesse bis 900 C angewendet. Sie bescheinigen dem Modell gute Ergebnisse bei der Prozessoptimierung. Auch D. Landgrebe schreibt dem Modell der effektiven Spannungen in seiner Bewertung der Ergebnisse gute Vorhersagefähigkeiten in Bezug sowohl auf den Rissort als auch den Risszeitpunkt zu. Die Ergebnisse sind dabei teilweise abhängig von der konkret verwendeten Funktion zur Berechnung der Schädigung.

Zusammenfassend kann gesagt werden, das sich alle mikromechanischen Hypothesen sehr gut zur Bestimmung des Rissortes bei der Kaltumformung eignen. Mit Ausnahme des Modells der effektiven Spannungen scheitern sie jedoch weitgehend bei der Bestimmung des korrekten Risszeitpunktes. Hier dürfte in der Regel nach Zitz die Nutzung der Rissgrenzkurven günstiger sein. Das Modell der effektiven Spannungen jedoch kann laut Landgrebe mit Hilfe individueller Aufnahme von schädigungsmechanischen Kennwerten Ort und Zeitpunkt der Rissbildung gut unter Verwendung der FEM für duktile metallische Werkstoffe vorhersagen. Es zeigt darüber hinaus nach auch gute Resultate bei der Optimierung von Halbwarmumformprozessen bis 900 C. Ebenfalls vielversprechend erscheint der Einsatz der auf Gurson basierenden Schädigungsmodelle von Gologanu und Castaneda in Kombination mit geeigneten Risshypothesen. Diese Modelle wurden bereits erfolgreich für die Beschreibung der Kantenrissbildung beim Walzen eingesetzt.