Quantitative Analyse der lokalen Verformung und direkte Korrelation mit mikrostrukturellen und mechanischen Parametern beim Equal Channel Angular Pressing in Werkzeugen mit variablen Geometrien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Franz-Xaver Wagner
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465563128

Equal Channel Angular Pressing (ECAP) ist ein Umformverfahren, mit dem metallische Werkstoffe durch hochgradig plastische Deformation einer massiven Kornfeinung unterzogen werden können. Die resultierenden, ultra-feinkörnigen Werkstoffe zeichnen sich durch herausragende mechanische Eigenschaften (hohe Festigkeiten bei guter Verformbarkeit) aus und besitzen ein großes Potenzial beispielsweise für Anwendungen im Leichtbau. Während der Einfluss von ECAP auf Mikrostruktur und Eigenschaften vieler Legierungen in den letzten Jahren umfassend untersucht wurde, besteht nach wie vor eine eklatante Wissenslücke bei der Beschreibung der lokalen Verformung in den Umformzonen verschiedener ECAP-Werkzeuge: In der Regel werden Vergleichsumformgrade anhand simpler Näherungen lediglich abgeschätzt, ohne dass dabei z.B. der experimentell nachgewiesene Einfluss der Materialverfestigung oder eines oftmals aufgebrachten Gegendrucks berücksichtigt werden kann. Ein besseres Verständnis der lokalen (plastischen) Verformung ist aber von entscheidender Bedeutung, um bislang vor allem qualitativ gemachte Beobachtungen zu mikrostrukturellen Verformungs- und Kornfeinungsmechanismen vollständig quantitativ beschreiben zu können und damit metallphysikalische Zusammenhänge fundiert erfassen und als Funktion von Material- und Prozessgrößen vorhersagen zu können. Der Antragsteller hat vor Kurzem ein analytisches Modell, das die lokale Verformung in 90°-Werkzeugen entlang von Fließlinien (FL) sehr gut abbilden kann, für beliebige Werkzeuggeometrien weiterentwickelt. Zusammen mit einer in weiteren Vorarbeiten entwickelten, hochauflösenden visioplastischen Methode steht nun ein Instrumentarium zur Verfügung, um die zentrale Hypothese zu untersuchen, dass der tatsächliche Umformgrad (ausgedrückt über den FL-Exponenten, mögliche Gradienten im Halbzeugquerschnitt und die Entwicklung dieser Größen über mehrere Umformschritte) eine physikalisch relevante Bezugsgröße darstellt, mit der man vielfältige Phänomene (Mikrostruktur- und, Texturentwicklung, Eigenschaften, Schädigung) gezielt korrelieren und sogar quantitativ vorhersagen kann. Im geplanten Vorhaben wird anhand von drei Modellwerkstoffen und mit vier verschiedenen ECAP-Werkzeugen grundlegend experimentell charakterisiert, wie sich die plastische Deformationszone bei verschiedenen Processing-Bedingungen ausbildet und wie die plastische Verformung sukzessive entlang einzelner FL erfolgt. Mit Hilfe von neu zu entwickelnden Bilderkennungsalgorithmen basierend auf künstlicher Intelligenz werden die lokalen Verformungen dabei in drei komplementären Stufen gefittet, was auch eine Bewertung der Güte verschiedener FL-Modelle und damit erstmals einen Benchmark-Vergleich verschiedener in der ECAP-Community etablierter Ansätze ermöglicht. Dadurch können schließlich wichtige Prozess- und Material-Einflussgrößen eindeutig identifiziert und mit den resultierenden makroskopischen Eigenschaften wissensbasiert verknüpft werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen