Werkstoff- und Prozessentwicklung für partiell-bainitisches Presshärten unter Verwendung fortgeschrittener Bainit-Umwandlungsmodelle
Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein präzises Verständnis des temperaturabhängigen Materialverhaltens ist entscheidend für die numerische Vorhersage komplexer Phasenumwandlungen und Umformprozesse in modernen Hochleistungsstählen. Als Grundlage dient dabei eine Methode zur Bestimmung des elastischen Moduln (Youngscher Modul) ferritischer und austenitischer Stähle bei hohen Temperaturen, die auf einem inversen Lösungsansatz beruht. Dadurch können Temperaturgradienten im Probenmaterial berücksichtigt und die resultierenden Eingangsparameter für Finite- Elemente-Simulationen präzise kalibriert werden. Aufbauend darauf untersucht eine umfassende Studie die Kinetik der bainitischen Ferritbildung mithilfe experimenteller Dilatometer- und Gleeble-Versuche sowie Finite-Elemente-Simulationen und thermodynamischer Modelle. Hierbei werden Bhadeshia- und Hensel-Spittel-Modelle eingesetzt und um den Einfluss von Schubspannungen auf die Aktivierungsenergie der bainitischen Umwandlung erweitert. Besonders hervorgehoben wird die präzise Validierung der temperaturabhängigen Felder sowie die elektronenmikroskopische Untersuchung (EBSD), welche die Vorhersagen der Simulation bestätigen. Diese Erkenntnisse dienen als numerische Grundlage für die Prozessoptimierung bei der Fertigung von Bauteilen mit definierter Mikrostruktur. Die gewonnenen Simulationsmodelle und Materialkennwerte fließen schließlich in ein neuartiges BQP-Verfahren (Bainitizing, Quenching and Partitioning) ein, das auf einer Pilotanlage unterschiedliche Phasenanteile aus Bainit, Martensit und Restaustenit erzeugt. Durch Variation der Haltezeit im bainitischen Temperaturbereich lassen sich so Bauteile mit Festigkeiten zwischen 1150 und 2000 MPa und verbesserter Duktilität fertigen. Anhand von Omega-Profilen wird gezeigt, wie die lokal unterschiedlichen Mikrostrukturen, beeinflusst durch Temperatur- und Reibbedingungen, die Maßhaltigkeit im Umformprozess bestimmen. Die so ermittelten Prozess-Fahrpläne und Bauteileigenschaften stellen einen wichtigen Schritt für zukünftige Serienanwendungen dar und belegen das Potenzial, mithilfe präziser numerischer Vorhersagen und optimierter Materialmodelle komplexe Hochleistungsstähle im industriellen Maßstab herzustellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Design and processing of next generation press-hardening steels for car body applications,” presented at the 6th Int. Conf. Steels in Cars and Trucks, Milan, Italy, Jun. 21, 2022
A. Hatscher, C. Ostwald, U. Diekmann, P. Becker, M. Löcker, A. Ademaj, O. Schauerte & R. Thomas
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An accurate method for determining Young's modulus for ferritic and austenitic steel at high temperatures using acoustic emission tests and inverse solution. Journal of Materials Research and Technology, 26, 4526-4533.
Faraji, Towhid; Irani, Missam; Korpala, Grzegorz & Prahl, Ulrich
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„Herausforderungen und Potentiale einer neuartigen bainitischen Warmblechumformung“, In M. Merklein (editor), Warmumformung von höchstfesten Vergütungsstählen: Tagungsband zum 18. Erlanger Workshop Warmblechumformung, p. 27-46, 14th November 2023
A. Hatscher, C. Ostwald, R. Thomas, J. Hermann, M. Löcker, U. Diekmann, J. Dlouhy, A. Ademaj, E. Ince, N. Günther, J. Krost, M. Otto & P. Suikkanen
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bainite transformation in macro scale, Conference Forming 2024, Szklarska Poręba-Poland
T. Faraji, G. Korpala & U. Prahl
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Modeling the influence of bainite transformation on the flow behavior of steel using a macroscale finite element analysis. International Journal of Plasticity, 184, 104189.
Faraji, Towhid; Irani, Missam; Korpala, Grzegorz; Ostwald, Christoph; Hatscher, Ansgar & Prahl, Ulrich
