Eigenspannungen in Schweißverbindungen aus kaltverfestigenden hoch manganhaltigen Stählen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Gibmeier; Dr.-Ing. Thomas Nitschke-Pagel
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441694070

Für die Entwicklung hochfester Strukturbauteile im Karrosseriebau ist der Einsatz von Stählen mit einer günstigen Kombination aus Duktilität und Zugfestigkeit von vorrangigem Interesse. Hoch manganhaltige Stähle sind hier äußerst interessant, da sich bei diesen die endgültigen mechanischen Eigenschaften entweder durch verformungsinduzierte Martensit¬bildung (TRIP-Effekt) und/oder durch Bildung von Zwillings¬korngrenzen (TWIP-Effekt) einstellen. Diese Stähle weisen im umgeformten Zustand außerordentlich hohe Zugfestig¬keiten bei gleichzeitig noch sehr hohen Verformungsreserven auf. Wichtig bei der Auslegung von Schwei߬konstruk-tionen aus diesen Werkstoffen im Bereich von Automotivekomponenten ist, dass die Verbindungen auch unter Schwingbeanspruchung sehr gute Festigkeits¬eigen¬schaften auf-weisen müssen. Unklar ist dabei, inwieweit schweißbedingte Eigenspannungen das Festigkeitsverhalten auch unter einer Schwingbeanspruchung beeinflussen und welchem Beitrag den Mikroeigenspannungen II. Art und III. Art. beizumessen ist. Weiterhin ist unklar, welcher Zusammenhang zwischen unterschiedlichen Ursachen der Mikroeigen¬spannungen und der resultierenden Stabilität der Makroeigenspannungen besteht. Durch die Beantwortung dieser offenen Fragen leistet das Vorhaben einen wesentlichen Beitrag zum besseren Verständnis der Verarbeitungs- und Festigkeitseigenschaften stark kaltver¬festigender austenitischer Stähle und liefert eine verbesserte Grundlage für die quantitative Berücksichtigung unterschiedlicher Eigenspannungsanteile bei der Auslegung. Das Projekt zielt darauf ab, für hoch manganhaltige Stähle den Zusammenhang zwischen den aus dem Umformprozess resultierenden Makroeigen¬spannungen und dem Zustand nach dem Schweißen zu verstehen und zu beschreiben. Dies soll sowohl durch systematische Versuche, als auch durch FE-Berechnungen der Prozeßkette Umformung-Schweißen bewerkstelligt werden. Hierzu sind u.a. umfangreiche systematische Röntgenbeugungs¬analysen an geschweißten Proben aus den hoch manganhaltigen Stählen X40MnCrVAl19 2.5 (TWIP) und X10Mn7 (TRIP 700) zur Analyse der lokalen Phasengehalte, der phasenspezifischen Texturent¬wicklung und der Ausbildung und der Stabilität von phasenspezifischen Eigenspannungen auf allen Größenskalen geplant. Das erwartete Verständnis zwischen Prozessparametern und resultierenden Mikro- und Makroeigenspannungen soll die Grundlage dafür liefern, wie durch Optimierung von Wärmeeinbringung und Abkühlverlauf und damit auch vom Schweißverfahren letztlich der Zustand beim Schweißen solcher Stähle soweit optimiert werden kann, dass sich optimierte Festigkeiten von Bauteilen aus diesen Werkstoffen unter zügiger und zyklischer Beanspruchung einstellen lassen. Bei den FE-Berechnungen erfolgt die Korrelation zu den Mikroeigenspannungen über die lokale Berechnung der plastischen Verformungen beim Umformen und Schweißen und der Kopplung mit den experimentellen Befunden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen