Moderne Methoden zur Charakterisierung der Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen ultrafeinkörniger Metalle nach dem Equal-Channel Angular Pressing
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden wichtige wissenschaftliche und prozesstechnische Fragestellungen im Zusammenhang mit der Mikrostrukturbildung während der ECAP-Umformung, dem Einfluss verschiedener Werkzeugparameter und dem resultierenden Materialverhalten systematisch untersucht. Übergeordnetes Ziel des Projektes war es, grundlegende Untersuchungen zum Verhalten des Materials während der ECAP-Umformung durchzuführen. Die wesentlichen Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst und die oben genannten Fragestellungen damit beantwortet werden: • Mit Hilfe umfangreicher röntgenografischer Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass selbst nach achtfacher ECAP-Umformung eine Parallelität der vor der Umformung in Halbzeuge mit Kreisquerschnitt eingebrachten W-Drähte nach wie vor vorhanden ist. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass es während der Umformung des untersuchten Reinstkupfers zu keiner nennenswerten Verdrehung der Halbzeuge um ihre Längsachse kommt. Der ECAP-Prozess kann damit trotz im realen Werkzeug immer vorhandener Reibung auch sinnvoll und reproduzierbar für die Herstellung von runden Halbzeugquerschnitten angewendet werden. • Unter Verwendung zweier baugleicher ECAP-Werkzeuge mit unterschiedlichen Maßstäben (Halbzeugquerschnitte: Labormaßstab 15 x 15 mm², Großmaßstab 50 x 50 mm²) konnte gezielt die Skalierbarkeit des Verfahrens untersucht werden. Neben den mechanischen Eigenschaften stand insbesondere die Entwicklung der Mikrostruktur im Fokus der Untersuchungen. Der systematische Vergleich der Mikrostrukturen mehrerer Umformzustände in beiden Größenordnungen zeigte anschaulich, dass – bei sinnvoller Gestaltung der Prozessparameter, die in Chemnitz mit großem Aufwand betrieben wurde – keine nennenswerten Skalierungseffekte auftreten. Untersuchungen aus großen ECAP-Halbzeugen sind damit sehr gut vergleichbar mit den in den meisten Arbeitsgruppen weltweit typischen, wesentlich kleineren Halbzeugen. • Hinsichtlich des Einflusses eines der Scherung überlagerten Biegeanteils (als Funktion des Gegendrucks) konnte gezeigt werden, dass mit steigender Anzahl an Umformschritten neben der Festigkeit auch die Homogenität der mechanischen Eigenschaften steigt. Dieser Zusammenhang kann mit Hilfe der vom Verfestigungsvermögen des Werkstoffs abhängigen Ausbildung der Scherzonengeometrie während der Umformung erklärt werden. • Anhand von einachsigen Druckversuchen sowie durch Scherzugversuche mit größenangepassten Probenformen wurde systematisch dokumentiert, dass die ECAP- Umformung zu einer stark ausgeprägten Anisotropie der mechanischen Eigenschaften im Werkstoff (Reinst-)Kupfer führt. Dieses lokal teils sehr unterschiedliche Werkstoffverhalten wird durch ein komplexes mikrostrukturelles Zusammenspiel von Textur, Kornform, richtungsabhängiger Kaltverformung sowie eventuell durch die lastrichtungsabhängige Bildung und Annihilation von Substrukturen (wie Versetzungzellwänden) bestimmt und bedarf weiterer Untersuchungen.
Publications
- Influence of strain gradients on the grain refinement during industrial scale ECAP. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 42 (2011) 680-685
P. Frint, M. Hockauf, D. Dietrich, T. Halle, M.F.-X. Wagner, T. Lampke
(See online at https://doi.org/10.1002/mawe.201100839) - The role of Backpressure during large scale Equal-Channel Angular Pressing. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 43 (2012) 668-672
P. Frint, M. Hockauf, T. Halle, M.F.-X. Wagner, T. Lampke
(See online at https://doi.org/10.1002/mawe.201200015) - Scaling U Segal’s Principle of Equal-Channel Angular Pressing. Materials and Design, 97 (2016) 502-511
S. Frint, M. Hockauf, P. Frint, M.F.X. Wagner
(See online at https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.02.067) - An experimental study on optimum lubrication for large-scale severe plastic deformation of aluminum-based alloys. Journal of Materials Processing Technology, 239 (2017) 222-229
P. Frint, M.F.X. Wagner, S. Weber, S. Seipp, S. Frint, T. Lampke
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.08.032) - Technical-economic evaluation of severe plastic deformation processing technologies – methodology and use case of lever-arm-shaped aircraft light-weight components. International Journal of Advanced Manufacturing Technology
F. Herold, A. Schmidt, P. Frint, U. Götze, M.F.-X. Wagner
(See online at https://doi.org/10.1007/s00170-017-0921-x)
