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Praxisorientierte Erweiterung der Schadensvorhersage zur ausschussarmen Fertigung in der Kaltmassivumformung von Stählen mit nichtmetallischen Einschlüssen als Schädigungsinitiatoren (Nichtmetallische Einschlüsse)

Status laufend
Ziele

1. Entwicklung einer praxistauglichen Bewertungsmethode für schädigungsinitiierende nichtmetallische Einschlüsse in Stählen während der Kaltmassivumformung


Die zu entwickelnde Methode soll den Umformunternehmen außer dem bisher spezifizierten Reinheitsgrad erlauben, konkrete Kriterien für Form, Größe, Orientierung, u. a. von nichtmetallischen Einschlüssen (NE) in Abhängigkeit des Umformprozesses festzulegen. Damit werden auch KMU in der Lage sein, neue Umformstrategien auszuarbeiten, mit denen ein Stahl selbst bei sowohl systematisch (z.B. MnS-Zeiligkeit) als auch unsystematisch auftretenden Einschlüssen (z.B. oxidische Einschlusscluster infolge von Clogging) noch schadenstolerant umgeformt werden kann. Die besondere Berücksichtigung soll dabei der Frage der Schädigung durch Einschlüsse in Abhängigkeit des Werkstoffzustands (thermomechanisch gewalzt, gewalzt bzw. GKZ-geglüht) und des Umformgrads (Verfestigungsverhalten) gewidmet werden. Damit könnte eine Bewertung vorgenommen werden, bei welchen Teilen z.B. im Falle von Einschlussclustern mit einer Werkstoffschädigung/Rissbildung zu rechnen ist. Die Bewertungsmethode soll in Form eines plattformübergreifenden Postprozessors zur Berechnung des Schädigungsausmaßes bei verschiedenen NE-Eigenschaften und Belastungsgeschichten realisiert werden. Das praktische Ziel ist es, eine ausschussarme Fertigung in der Kaltmassivumformung zu ermöglichen.


2. Herstellung von Proben mit unterschiedlichen Einschlussmorphologien


Die modellhaften Proben mit einzelnen (Typ D nach SEP 1571-1) und zeilig angeordneten (Typ B1 nach SEP 1571-1) sowie clusterbildenden (Typ B2 nach SEP 1571-1) globularen Einschlüssen des Aluminiumoxides werden erzeugt: Die im eigenen Vakuumschmelzofen hergestellte sauerstoffhaltige Reinsteisenschmelze wird mit Aluminium diffusionsdesoxidiert, abgeschreckt, geschliffen, in Matrixmaterial aus reinem 16MnCr5 eingeschrumpft und gewalzt. Dazu soll die Matrix mit tiefen Bohrungen versehen werden, die anschließend aufzureiben sind. Die diffusionsdesoxidierten Proben sollen mit ca. 0,01 mm Übermaß auf einer Präzisionsschleifbank abgearbeitet und dann in das auf ca. 300 °C erwärmte Matrixmaterial eingeschrumpft werden. Die gleiche Einschrumpftechnik soll ebenfalls für Material verwendet werden, das für Vergleichbarkeitszwecke aus reinem 16MnCr5 und gesinterten Proben aus MnS-Pulver besteht (Typ A nach SEP 1571-1). Dafür stehen am IMF ein Schmelzofen, ein Sinterofen sowie ein Walzwerk und ein Umlüftofen zur Verfügung. Der Letzte wird zur Durchführung von Weichglühungen mit zwei unterschiedlichen Glühdauern verwendet. Des Weiteren erfolgt die Einstellung von unterschiedlichen Formen von Mangansulfiden durch das Walzen für weitere Untersuchungen anhand des industriell bezogenen Werkstoffs 16MnCrS5. Dabei sind zum einen mit Ca behandelte Schmelzen mit kugeliger Einschlussmorphologie (Typ Dsulf nach SEP 1571-1) und zum anderen Schmelzen mit gestreckter zeiliger Morphologie (Typ A) der Arbeitsgegenstand.


3. Charakterisierung des Materialverhaltens und der Schädigungsmechanismen unter komplexer Belastung


Die Proben mit unterschiedlichen Einschlussmorphologien werden verschiedenen Umformpfaden und Spannungszuständen unterworfen. Insgesamt sollen sechs Umformpfade (reiner Zug bzw. Druck sowie Kombinationen Zug-Zug/ Zug-Druck und Druck-Torsion oder Zug-Torsion) an multidirektionalen Prüfsystemen BÄHR MDS-830 und BÄHR BTA-840 untersucht werden. Die gestoppten Versuche mit mindestens drei Stufen sollen bei Raumtemperatur sowie bei einer Umformgeschwindigkeit von ca. 1 s-1 durchgeführt werden. Einen besonderen Schwerpunkt stellt die Untersuchung des Verhaltens von NE mit Vorschädigung unter komplexer mehrstufiger Belastung in einem kombinierten Zug- bzw. Druck-Torsion-Versuch mit besonderer Berücksichtigung der Spannungstriaxilität dar. Diese sollen durch die Anwendung einer Lastumkehr an Proben mit Orientierungen zur Faserrichtung zur Identifizierung des Einflusses der Vorschädigung an NE auf das weitere Verformungs- und Bruchverhalten beitragen.


4. Mikrostrukturelle Charakterisierung der nichtmetallischen Einschlüsse


Die Schädigungsinitiierung und Schädigungsentwicklung an den NE werden im Laufe der Verformung untersucht. Dabei wird für unterschiedliche Belastungsarten und Belastungsrichtungen in Relation zur NE-Orientierung die Mikrostruktur nach unterschiedlich weit fortgeschrittener Umformung bzw. Schädigung aus den Versuchen mittels Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie analysiert. Insbesondere soll dabei der Einfluss der Einschlussmorphologie und -orientierung sowie die Interaktion mehrerer Einschlüsse in Form von Clustern untersucht werden. Ergänzend sollen auch kleine Proben mit entsprechend präparierter Oberfläche in-situ oder ex-situ im Rasterelektronenmikroskop auf Zug oder Scherung belastet werden, um direkt die Initiierung und das Fortschreiten der lokalen Schädigung an den NE zu beobachten. Durch die ausführliche Analyse des genauen Schädigungsablaufs an den NE in Abhängigkeit der Belastungsart und Belastungsrichtung können Rückschlüsse auf die Verformbarkeit oder Sprödigkeit der NE, sowie über deren Anbindung an das Matrixmaterial getroffen werden. Zusammen mit den geplanten Zellmodellrechnungen kann durch diese Untersuchungen ein gutes Bild der genauen Schädigungsmechanismen abgeleitet werden. So können Erkenntnisse über die tatsächlichen lokalen zur Schädigung führenden Belastungen (z. B. Zug) im Teilchen oder an dessen Grenzfläche gewonnen werden. Das tiefe Verständnis dieser lokalen Schädigungskriterien ermöglicht letztendlich bei vorgegebenem Belastungspfad (z. B. aus einem Umformprozess) eine Einschätzung, welche Teilchenarten in welcher Orientierung, Größe und Morphologie kritisch oder unkritisch für den Umformprozess sind.


5. Entwicklung eines Modellierungsansatzes und seine numerische Umsetzung in einen plattformübergreifenden FEM-Postprozessor


Anhand der erhaltenen Zusammenhänge zwischen den aufgebrachten Belastungen und dem beobachteten Schädigungsverhalten der NE und ihrer Umgebung werden durch Zellmodell-Simulationen der NE in ihrer Matrix die lokalen Verformungs- und Schädigungseigenschaften der NE charakterisiert. Auf dieser Basis soll eine Korrelation des ermittelten Schädigungsverhaltens mit den Belastungspfaden erstellt und so die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf betrieblich relevante Lastpfade ermöglicht werden. Die Validierung der aufgestellten Korrelationen unter industrienahen Bedingungen (Test zum Quer-Fließpressen) schließt sich daher dazu an. Damit die industrielle Anwendbarkeit der Korrelation gewährleistet wird, wird ein numerischer Postprozessor entwickelt, mit dessen Hilfe aus der FE-Simulation anhand eines Schädigungs- oder Versagenskriteriums als kritisch identifizierte Belastungspfade auf verschiedene NE-Zellmodelle (mit unterschiedlichen NE-Formen, -Größen, -Orientierungen, ggf. -Gruppierungen, u.a.) aufgebracht und das Schädigungsausmaß an den NE beurteilt werden kann. Anhand der Zellmodellrechnungen mit dieser Belastung kann identifiziert werden, welche NE-Eigenschaften tatsächlich zu Porenbildung oder Rissen führen und wie groß in etwa das Schädigungsausmaß zu erwarten ist.




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