Charakterisierung der Eignung von hoch Mangan Stählen für die Herstellung kleinformatiger Blechbauteile durch mehrstufiges Tiefziehen
Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsprojektes sollte das Umwandlungsverhalten von austenitischen hoch Mangan TWIP (Twinning-Induced-Plasticity) Stählen beim mehrstufigen Tiefziehen untersucht und Methoden zur Vermeidung der α-Martensitbildung erprobt werden. Aus industrieller Sicht besteht ein großes Interesse daran, die herausragenden mechanischen Eigenschaften der hoch Mangan Stähle (HMnS) für den Leichtbau zu nutzen. Zurzeit wird die kommerzielle Nutzung dieser TWIP Stähle jedoch aufgrund der unerwünschten spannungsinduzierten Martensitbildung (TRIP-Effekt) bei hohen Dehnungen und mehrachsigen Spannungszuständen eingeschränkt, da sowohl die mechanischen als auch die physikalischen Eigenschaften, wie z.B. der Magnetismus, durch diese Phasenumwandlung verändert werden. Eine Herstellung von nicht-magnetischen Bauteilen, ist beispielsweise nur möglich, wenn die Austenitstabilität über die klassische Materialcharakterisierung im Zugversuch hinaus auch für komplexe Belastungen bekannt sind. Es wurden daher drei wesentliche Ziele für das Forschungsprojekt definiert: 1) Identifikation der ausschlaggebenden Kombinationen von Spannungs- und Formänderungszuständen zur Auslösung der martensitischen Umwandlung in hoch Mangan TWIP-Stählen; 2) Ermittlung der Prozessgrenzen für das Auftreten der martensitischen Umwandlung im mehrstufigen Tiefziehen; 3) Entwicklung einer Methode für die Prozessauslegung zur Bewertung der Austenitstabilität in Abhängigkeit der Spannungs- und Formänderungszustände. Zur Erreichung dieser Ziele wurden die Arbeiten in den vier folgenden Arbeitspaketen durchgeführt. Im ersten Arbeitspaket (AP) wurden verschiedene Ziehfolgen für ein Analog-Bauteil ausgelegt, die Komponenten für das Tiefziehwerkzeug hergestellt und die Bauteile nach dem Tiefziehen charakterisiert. Im zweiten AP wurden FE-Simulationsmodelle des mehrstufigen Tiefziehprozesses entwickelt und für charakteristische Bauteilbereiche lokale Belastungspfade analysiert. In AP 3 sollten Mechanismenkarten zur Darstellung der Martensitbildung in Abhängigkeit der Prozessrandbedingungen erstellt werden. Anstelle der ursprünglich geplanten experimentellen Charakterisierung wurde hier auf Simulationsdaten aus dem Verfestigungsmodell aus AP 2 zurückgegriffen. In AP 4 erfolgte anhand der Mechanismenkarten die Übertragung der in AP 2 und 3 gewonnenen Erkenntnisse auf den mehrstufigen Fertigungsprozess des Analog-Bauteiles. Im Rahmen des ersten Arbeitspaketes wurde das Analog-Bauteil aus zwei hoch Mangan Stählen in drei verschiedenen Ziehfolgenvarianten hergestellt und in einer anschließenden Abstreckgleitziehstufe noch einmal zusätzliche Formänderung in das Bauteil eingebracht. Die Änderung der magnetischen Eigenschaften durch die Bildung von α-Martensit wurden für beide Werkstoffe erfolgreich mit einem Feritscope und mit EBSD-Messungen nachgewiesen. Als Voraussetzung für die FE-Simulationen wurde in AP 2 das physikalisch basierte Verfestigungsmodell aus dem SFB761 um die Einflussgröße Spannungszustand erweitert, sodass eine Validierung der Fließkurvenextrapolationen bis φ = 5 für eine Referenzlegierung aus dem SFB 761 mit 23% Mangan anhand von Literaturdaten des Belastungszustands Scherung möglich war. Anhand der FE-Simulationen der Tiefziehprozesse wurden anschließend in AP 2 die lokal im Bauteil auftretenden Belastungs- und Formänderungszustände analysiert. Mithilfe des erweiterten Verfestigungsmodells konnte ebenfalls die Martensitentwicklung unter verschiedenen Prozessrandbedingungen berechnet werden. Auf Basis dieser Daten wurden in AP 3 Mechanismenkarten für den TRIP-Effekt in Abhängigkeit des Spannungszustandes, der Dehnrate und der Umformtemperatur entwickelt. In AP 4 wurde mit den lokalen Belastungszuständen aus AP 2 und den Mechanismenkarten aus AP 3 der Einfluss der verschiedenen Ziehfolgen auf die Martensitbildung im Bauteil analysiert. Die bereits in AP 1 in den Versuchen beobachtete geringere Martensitbildung in dem 3-stufigen Ziehprozess konnte anhand der Mechanismenkarten bestätigt werden. Insgesamt konnten damit das Projektziel erreicht und Vorschläge für eine wirtschaftlichere Nutzung der im Projekt entwickelten Methode und der abgeleiteten Erkenntnisse gemacht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Mikrostrukturabhängige Fließkurvenberechnung für hoch Mangan Stähle“, 33. Aachener Stahl Kolloquium, Oktober 26-27, 2022, Aachen
Quadfasel A. & Hirt G.
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Modellierung von Fließkurven”, Stahl + Eisen Vol. 3, pp. 43-48
Quadfasel A. & Hirt G.
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“Simulation of the TWIP/TRIP effect of high manganese steels in dependence of the applied stress condition”, The 5th International Conference on Medium and High Manganese Steels; Mai 23-25, 2022, Linz, Austria, S. 146-149
Quadfasel A., Teller M. & Hirt G.
