Verformungsinduzierte Martensitbildung bei metastabilen austenitischen Stahl
Final Report Abstract
Um die prozesssichere und wirtschaftliche Fertigung von Bauteilen aus metastabilen austenitischen Werkstoffen garantieren zu können, ist die Kenntnis des Werkstoffverhaltens notwendig. Bei diesen Stählen ist je nach Legierungsbestandteiten, Temperatur, Umformgrad und Spannungszustand eine Phasenumwandlung von Austenit in Martensit möglich. Dabei muss unterschieden werden zwischen dem paramagnetischen e-Martensit und dem ferritischen ct'-Martensit. Eine Phasenumwandlung zum a'-Martensit bei einer Kaltumformung wird als verformungsinduzierte Martensitbildung bezeichnet, die das weitere Umformverhalten des Werkstoffes beeinflusst [BAR02, GOO70, SCH86]. Metastabile austenitische Werkstoffe sind insbesondere hinsichtlich der guten Korrosions- und Deformationseigenschaften für die industrielle Anwendung von hohem-Interesse. Gerade für diese Werkstoffe (z.B. Edelstahl, Trip-Stahl) liegt häufig kein ausreichendes Erfahrungswissen vor, um zeit- und kostenintensive Try-Out- Prozesse umgehen zu können. Vor allem die starke Chargenabhängigkeit der Martensitbildung der Edelstahle und die resultierende Änderung des Werkstoffverhaltens führen zu großen Schwierigkeiten bei der Herstellung von Bauteilen. Aus diesem Grund ist die Vorhersage der dehnungsinduzierten Martensitbildung und der damit verbundenen Änderung des weiteren Umformverhaltens von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Stand der Technik bei der Berechnung des Martensitgehaltes auf Basis der Finite-Element-Methode sind inkrementelle temperaturabhängige Evolutionsmodelle. Dabei wird bei Berücksichtigung der Temperatur von konstanten thermischphysikalischen Eigenschaften ausgegangen. Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, den Martensitgehalt von Blechbauteilen aus metastabilen Edelstahlen und Trip-Stählen während des Umformprozesses in der FE-Simulation genauer abbilden zu können. Im Focus stehen die Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der thermischphysikalischen Werkstoffeigenschaften, sowie die Untersuchung der Stabilität der Werkstoffparameter hinsichtlich der Chargenschwankungen für das am IFUM entwickelte Martensitevolutionsmodell des Edelstahls 1.4301 (X5CrNi18-10). Ein weiterer Arbeitspunkt des Vorhabens ist die Prüfung der Übertragbarkeit des Berechungsmodells auf den Trip-Stahl. Im vergangenen Bearbeitungszeitraum wurde die thermisch-mechanische Simulation des Umformprozesses realisiert und ein Modell zur Berechnung des Martensitgehaltes bei der Umformung des Edelstahls 1.4301 entwickelt. Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit der Martensitbildung und der Tatsache, dass "Verformungsinduzierte Martensitbildung bei metastabilem austenitischen Stahl" die Martensitneubildung die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs wesentlich beeinflusst, wurde die Notwendigkeit deutlich, die thermisch-physikalischen Werkstoffeigenschaften (vor allem die spezifische Wärmekapazität) temperaturabhängig zu beschreiben. Während der Bearbeitung dieses Forschungsvorhabens erfolgte die Herleitung mit Hilfe eines analytischen Modells des einachsigen Zugversuchs. Dazu wurde der Wärmefluss im Werkstoff während des Zugversuches mittels einer Differentialgleichung beschrieben. Durch die Annäherung des Temperaturverlaufes über die Probenlänge durch passende Funktionen wurde eine mathematische Beschreibung ermittelt, mit deren Hilfe die optimalen thermisch-physikalischen Eigenschaften bestimmt werden können. Des Weiteren wurden die Parameter eines bestehenden mathematischen Modells zur inkrementellen Beschreibung der Martensitevolution im einachsigen und zweiachsigen Spannungszustand untersucht. Geprüft wurde die Übertragbarkeit der für eine Charge bestimmten Parameter auf andere Chargen. Hierfür wurden Zugversuche und Tiefziehprozesse durchgeführt und die notwendigen Werkstoffparameter numerisch identifiziert. Die Parameter für die Beschreibung des Martensitgehaltes unterscheiden sich nur in dem Modellanteil, der mit Hilfe des einachsigen Zugversuches ermittelt wurde. Die durch den Tiefziehprozess bestimmten Parameter sind für alle untersuchten Werkstoffchargen gleich. Somit ist es mit Hilfe des entwickelten mathematischen Modells möglich, trotz des Einflusses des vorliegenden Spannungszustandes, allein aus einachsigen Zugversuchen die Bildung von Martensit auch in Tiefziehprozessen vorherzusagen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde untersucht, inwieweit das im Rahmen des ersten Antragzeitraums entwickelte mathematische Modell auch bei der Beschreibung des Materialverhaltens von Trip-Stählen Anwendung finden kann. Hierbei zeigte sich, dass die Eigenschaften des Trip700 (RA-K40770+Z) nach der Belastung sich sehr von denen des Edelstahls unterschieden. Anstatt eines Zuwachses an ferromagnetischen Phasenanteilen, aus dem sich beim 1.4301 der Martensitanteil bestimmen lässt, wurde durch Wirbelstrommessungen beim Trip- Stahl eine Abnahme detektiert. Parallel zur Martensitbildung ablaufende Phasenumwandlungsprozesse überlagern die ferromagnetischen Zuwächse durch die Umwandlung von Austenit in Martensit. Für die Berechung des Martensitanteils sind detaillierte Kenntnisse über die Phasenumwandlungen, die Volumenänderungen und die Magnetaktivität der einzelnen Phasen notwendig. Diese werkstoffkundlichen Untersuchungen konnten in diesem Antragszeitraum nicht geleistet werden und sollten Teil einer umfassenden Analyse in einem Forschungsvorhaben mit einem werkstoffkundlich ausgerichtetem Institut sein.
