Entwicklung einer Methodik zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer von hoch belasteten Warmumformwerkzeugen auf Basis fortschrittlicher Werkstoffmodelle
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Werkzeuge in der Warmmassivumformung unterliegen hohen zyklischen thermomechanischen Belastungen, wodurch die Lebensdauer und die Wirtschaftlichkeit des Prozesses stark beeinflusst werden können. Diese Belastungen können zu Schädigungen und damit zu einem Produktionsstillstand durch Versagen der Werkzeuge führen. Mit Hilfe der Finite-Elemente (FE) Methode können die Werkzeugbelastungen berechnet und Aussagen zur Lebensdauer getroffen werden. Hierfür sind entsprechende Materialmodelle notwendig, welche die relevanten Eigenschaften der Werkstoffe beschreiben. Im Rahmen der zweiten Förderperiode dieses Projektes wurde ein viskoplastisches Materialmodell anhand von ergänzenden Ermüdungsversuchen für drei Wärmebehandlungszustände, insbesondere zur Beschreibung der thermomechanischen Ermüdung (TMF, thermomechanical fatigue) für den Werkzeugstahl 1.2367 (X38CrMoV5-3), weiterentwickelt. So kann die thermische und zyklische Entfestigung des Werkstoffs unter TMF-Bedingungen, einer Überlagerung von thermischer und mechanischer Belastung, beschrieben werden. Hierfür wurde eine Methode zur Bestimmung der Werkstoffkennwerte anhand der ergänzenden Versuche erarbeitet. Mit den von der thermischen und zyklischen Entfestigung abhängigen Werkstoffkennwerten ist eine einheitliche Beschreibung der unterschiedlichen Wärmebehandlungszustände und der sich verändernden mechanischen Werkstoffeigenschaften möglich. Das entwickelte mechanismenbasierte Lebensdauermodell beruht auf einem Ermüdungsrisswachstumsgesetz, das von der Korrelation zwischen Risswachstumsgeschwindigkeit und elastisch-viskoplastischer zyklischer Rissöffnungsverschiebung ausgeht. Das Lebensdauermodell wurde auf Basis der ergänzenden Versuche parametrisiert und in das Simulationsprogramm Simufact Forming v16.0 implementiert. Durch ein sogenanntes „Cycle-Skipping“ kann das Entfestigungsverhalten des Werkzeugstahls auch in der Lebensdauerbewertung von Werkzeugen in FE-Berechnungen berücksichtigt werden. Zur Bewertung und Validierung des Material- und Lebensdauermodells wurde ein anwendungsnaher Warmumformprozess entwickelt. Die Werkzeuganalyse wurde mithilfe thermomechanisch gekoppelter FE-Berechnungen durchgeführt. Zur Validierung der numerischen Ergebnisse wurden Schmiedeversuche durchgeführt und die Anzahl der Zyklen bis zur Rissentstehung wie auch einen Rissfortschritt bis zu maximal einem Millimeter aufgezeichnet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Achtung heiß: Das neue Werkstoffmodell für Warmumformwerkzeuge, Forschung im Fokus, Hochschule Offenburg, S. 39-41, 2022
M. Schlayer & T. Seifert
-
Numerical Investigations on Stresses and Temperature Development of Tool Dies during Hot Forging. Key Engineering Materials, 926, 559-568.
Behrens, Bernd-Arno; Rosenbusch, Daniel; Wester, Hendrik & Siring, Janina
-
A Temperature-Dependent Viscoplasticity Model for the Hot Work Steel X38CrMoV5-3, Including Thermal and Cyclic Softening under Thermomechanical Fatigue Loading. Materials, 16(3), 994.
Schlayer, Markus; Warwas, Marc & Seifert, Thomas
-
Simulation of Hot-Forging Processes with a Temperature−Dependent Viscoplasticity Model. Lecture Notes in Production Engineering, 81-90.
Siring, J.; Schlayer, M.; Wester, H.; Seifert, T.; Rosenbusch, D. & Behrens, B.-A.
