Determination of forming limits of the martensitic chromium steels in hot forming processes
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Forschungsvorhaben lag in der numerischen Abbildung der Warmumformung des martensitischen Chromstahls X46Cr13 unter Berücksichtigung des Formänderungsvermögens bei erhöhten Temperaturen. Im ersten AP wurden geeignete Prozessparameter für die industrielle Warmblechumformung des X46Cr13 festgelegt. Zur Charakterisierung des Fließverhaltens des X46Cr13 wurden im zweiten AP temperatur- und dehnratenabhängige Fließkurven am Umformdilatometer aufgenommen. Zur Untersuchung der Anisotropie bei erhöhten Temperaturen wurden Zugversuche mit Proben in den Walzrichtungen 0°, 45° sowie 90° durchgeführt und ausgewertet. Zur Bestimmung der Gefügeumwandlungen wurden Abkühlversuche am Umformdilatometer durchgeführt und es wurde ein kontinuierliches Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm erstellt. Die Abkühlproben wurden metallografisch untersucht und die Härte sowie der Restaustenitgehalt wurden bestimmt. Um den Einfluss einer Vordehnung im austenitisierten Werkstoff auf die Gefügeumwandlungen zu untersuchen, wurden Abkühlversuche durchgeführt, wobei Deformationen bei verschiedenen Umformtemperaturen und mit unterschiedlichen Umformgraden eingebracht wurden. Die Proben wurden ebenfalls metallografisch untersucht und die Härte sowie der Restaustenitgehalt wurden bestimmt. Es konnte kein signifikanter Einfluss der Vordehnung auf die Gefügeumwandlungen bei prozessrelevanten Abkühlgeschwindigkeiten festgestellt werden. Im dritten AP wurden die zuvor charakterisierten Materialdaten aufbereitet und in das IFUM-Materialmodell für Formhärtesimulationen implementiert. Dafür wurden die Fließkurven mit geeigneten analytischen Ansätzen approximiert und extrapoliert. Die Berechnung der Gefügeumwandlungen wurde auf den X46Cr13 angepasst und um die Berechnung des Restaustenitgehalts erweitert. Im Rahmen des vierten AP wurde ein Versuchsaufbau zur Aufnahme von quasiisothermen Grenzformänderungskurven bei erhöhten Temperaturen konstruiert, gefertigt und in Betrieb genommen. Während des Versuchs konnte die Temperatur auf der Probenoberseite mit einem Pyrometer und die Umformung mit einem optischen Messsystem aufgezeichnet werden. Basierend auf den Versuchen wurden mit einer numerisch-experimentellen Methode Grenzformänderungskurven für erhöhte Temperaturen bestimmt. Als Demonstratorbauteil wurde in AP5 ein abstrahierter B-Säulenfuß untersucht. Es wurden für die Warmblechumformung wichtige Parameter, wie die Umformgeschwindigkeit sowie die Umformtemperatur, variiert, um gezielt Bauteile mit Versagen herzustellen. Die Demonstatorbauteile wurden im Anschluss im Hinblick auf ihre Eigenschaften, wie beispielsweise Verzug, Rissposition oder Festigkeit, analysiert. Im sechsten Arbeitspaket wurden die Demonstatorversuche numerisch abgebildet und mit den experimentellen Bauteilen verglichen. Dazu wurde das Materialmodell aus AP3 verwendet und um die Grenzformänderungskurven erweitert. Unter Berücksichtigung der experimentellen Randbedingungen wurde ein Modell der Prozesskette, bestehend aus Transfer, Umformen, Werkzeughärten und Abkühlen, erstellt. Die Simulationen wurden im Hinblick auf Ergebnisse, wie beispielsweise die Umformkraft, den Rissort und –zeitpunkt sowie die Geometrie den Experimenten mit guter Übereinstimmung gegenübergestellt. Das Forschungsziel, die realitätsgetreue numerische Abbildung der Warmumformung des martensitischen Chromstahls X46Cr13 zu ermöglichen, wurde durch sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen erreicht.
Publications
- Kohlenstoffmartensitische Chromstähle in der Warmblechumformung. Tagungsband 13. Erlanger Workshop Warmblechumformung, S. 107-127, 2018
B.-A. Behrens, S. Hübner, R. Krimm, A. Chugreev, T. Hasselbusch, E. Stockburger, C. Pfeffer
- Einsatzpotential von ultrahochfesten Chromstählen für das Formhärten. Tagungsband XXXVIII. Verformungskundliches Kolloquium, S. 82-87, 2019
B.-A. Behrens, S. Hübner, R. Krimm, A. Chugreev, T. Hasselbusch, E. Stockburger, C. Pfeffer
- Investigation of the forming limit behavior of martensitic chromium steels for hot sheet metal forming. Production at the leading edge of technology, S. 159-168, 2019
E. Stockburger, H. Wester, J. Uhe, K. Brunotte, B.-A. Behrens
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-662-60417-5_16) - Hot Forming Limit Curves for Numerical Press Hardening Simulation of AISI 420C. Proceedings of 29th International Conference on Metallurgy and Materials, S. 350-355, 2020
B.-A. Behrens, J. Uhe, H. Wester, E. Stockburger
(See online at https://doi.org/10.37904/metal.2020.3667) - Material Characterization and Modeling for Finite Element Simulation of Press Hardening with AISI 420C. J. of Materi Eng and Perform 31, S. 825- 832, 2022
B.-A. Behrens, D. Rosenbusch, H. Wester, E. Stockburger
(See online at https://doi.org/10.1007/s11665-021-06216-y)
