Entwicklung einer Methodik zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer von hoch belasteten Warmumformwerkzeugen auf Basis fortschrittlicher Werkstoffmodelle

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens; Professor Dr.-Ing. Thomas Seifert
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 244928365

Für Warmumformwerkzeuge werden häufig martensitische Werkzeugstähle verwendet, die nach vorgegebenen Verfahren wärmebehandelt werden um möglichst hohe Festigkeiten zu erzielen. Die Warmumformwerkzeuge unterliegen während des Betriebs komplexen thermischen und mechanischen Beanspruchungen. Bei der Serienproduktion führt dies zu zyklischen plastischen Verformungen und zur Schädigung des Werkstoffs durch thermomechanische Ermüdung (TMF, thermo-mechanical fatigue), so dass die Lebensdauer der Warmumformwerkzeuge begrenzt ist. Infolge der thermischen Belastung führen mikrostrukturelle Änderungen, wie die Vergröberung von festigkeitssteigernden Karbiden zur Entfestigung des Werkstoffs, die den Schädigungsverlauf maßgeblich beeinflussen kann. Zur Auslegung der Werkzeuge werden verstärkt Finite-Element Berechnungen (FEM) durchgeführt. Allerdings existiert bislang kein Berechnungskonzept, das über fortschrittliche Werkstoffmodelle die auftretenden Schädigungsmechanismen beschreibt. Einerseits werden hierfür Plastizitätsmodelle benötigt, die die thermische Entfestigung des Werkstoffs berücksichtigen, während andererseits Schädigungsmodelle notwendig sind, die auf dem zeit- und temperaturabhängigen thermomechanischen Ermüdungsrisswachstum basieren.Der Antrag dieses Forschungsvorhabens stellt den Fortsetzungsantrag des gleichnamigen Erstantrags dar. Im Erstantrag stand die werkstofftechnische und werkstoffmechanische Charakterisierung des betrachteten Warmarbeitsstahls X38CrMoV5-3 mit einer Vergütungshärte von 54 HRC und die Entwicklung von Plastizitätsmodellen mit thermischer Entfestigung sowie deren numerische FEM-Implementierung im Vordergrund.Das Ziel des Fortsetzungsantrages besteht darin, ein TMF-Lebensdauermodell zu entwickeln, das die in Versuchen beobachteten Schädigungsmechanismen wie auch die thermische Entfestigung berücksichtigt. Es sollen die Werkstoffkennwerte für den Warmarbeitsstahl bestimmt werden. Die in der bisherigen Projektlaufzeit und die im Fortsetzungszeitraum entwickelten Modelle sollen anhand anwendungsnaher Schmiedeprozesse validiert werden.Durch das in diesem Projekt gewonnene vertiefte Verständnis zum Verformungs- und Schädigungsverhalten vom untersuchten Werkzeugstahl und den darauf basierten Modellen zur Lebensdauervorhersage wird ein wichtiger Beitrag zur rechnerischen Auslegung von Warmumformwerkzeugen geleistet. Auf Basis des zu entwickelnden Berechnungskonzepts können bereits in der Auslegungsphase konstruktive Maßnahmen ergriffen werden, um die Werkzeugstandmenge von Schmiedegesenken zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Serienreife für ein Schmiedeprodukt schneller erreicht werden kann, da kostenintensive und zeitaufwändige Erprobungszyklen vermieden werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen