Experimentelle und numerische Untersuchung der Größeneinflüsse auf das Fließverhalten von W/Cu-Teilchenverbundwrkstoffen und Stählen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Essam El-Magd
• Subject Area: Production Automation and Assembly Technology
• Term: from 2002 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5376877

• Final Report Year: 2008

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden verschiedene Werkstoffe (W/Cu-Teilchenverbundwerkstoffe, C45E, X2CrNiMo 17-12-2 und 42CrMo4) untersucht. W/Cu Teilchenverbundwerkstoffe dienen zur Herstellung von Elektrokontakten und Elektroden in den unterschiedlichsten Größendimensionen, so dass vorhandene Größeneffekte im Materialverhalten von entscheidender Wichtigkeit für fertigungstechnische Bearbeitungsprozesse sind. Die Größeneffekte von W/Cu-Teilchenverbundwerkstoffe wurden gründlich durch Variation der Volumenanteile der Wolfram- und Kupferphasen, durch Variation der Probengeometrie und der Größe der Wolframpartikel in Abhängigkeit von Dehnung, Dehngeschwindigkeit und Temperatur unter Druck und Scherbeanspruchung untersucht. Bei Verkleinerung der Zahl der beanspruchten Wolframpartikel (in der Form von Druckprobengröße oder Scherbreite der Hutproben) kommt es zu einem Anstieg des Fließspannungsniveaus. Dieser Effekt steigt mit dem Wolframanteil und durch höhere Umformgeschwindigkeiten noch verstärkt an. Metallographische Untersuchungen bestätigen ein lokal unterschiedliches Verformungsverhalten bei unterschiedlichen Probengeometrien, welches im besonderen Maße durch die Anzahl der Wolframpartikel beeinflusst wird. Auch die Partikelgröße und die Volumenanteile der beiden Phasen Wolfram und Kupfer haben Einfluss auf das Fließverhalten. So steigt mit dem Wolframanteil das Fließspannungsniveau an, bei dynamischer Beanspruchung kommt es aber gleichzeitig zu einer wesentlich stärkeren thermischen Entfestigung und damit zu einer stärkeren Spannungsabnahme bei steigenden Umformgraden. Auch die Variation der Partikelgröße bestätigt eindeutig identifizierbare Größeneffekte. Mit kleiner werdenden Wolframpartikeln verstärkt sich die Wechselwirkung zwischen Partikeln und Matrix, da bei gleichen Volumenanteilen der Abstand der Matrixbrücken zwischen benachbarten Wolframpartikeln kleiner ist und so eine stärkere plastische Verformung der Partikel provoziert wird. Bei allen Größeneffekten muss zusätzlich der Einfluss der Versuchstemperatur berücksichtigt werden, da diese das lokale Werkstoffverhalten durch die weicher werdende Kupfermatrix grundlegend beeinflusst. Insgesamt haben die Untersuchungen der Größeneffekte bestätigt, dass deutliche Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Einflussfaktoren bestehen, die bei der Untersuchung des Werkstoffverhaltens mit berücksichtigt werden müssen. Metallographische Untersuchungen des Verformungs- und Versagensverhaltens konnten diese Wechselwirkungen bestätigen. Neben der Stauchbeanspruchung wurde auch das Werkstoffverhalten unter Scherbeanspruchung bei unterschiedlich breiten Scherzonen untersucht. Auch hier konnten Größeneffekte ermittelt werden, die durch die maximale Anzahl von Wolframpartikeln und deren Größe in der Scherzone beeinflusst werden. So steigt der maximale Verformungsgrad bis zum Bruch bei einem schmalen Scherbereich extrem an, da es dort zu einer sehr konzentrierten plastischen Scherverformung der Wolframpartikel und der Kupfermatrix kommt, die einen stabilisierenden Einfluss auf die Fließeigenschaften haben. Dieses lokale Verformungsverhalten zwischen den harten Wolframpartikeln und der weichen Kupfermatrix konnte durch eine schrittweise Verformungsverfolgung von Scherversuchen mit Hilfe einer speziell hergestellten Vorrichtung gezielt untersucht werden. Die Untersuchungen haben sowohl gezeigt, dass sich W/Cu-Teilchenverbundwerkstoffe als ideale Modellwerkstoffe für die Untersuchung unterschiedlicher Größeneffekte auf die Fließspannung eignen, als auch die unterschiedlichen Einflussfaktoren wie Volumenanteile, Partikelgrößen und geometrische Einflussfaktoren gezielt einzustellen sind. Diese Untersuchungen bestätigen aber auch, dass dieser Werkstoff nicht nur als Kontinuum betrachtet werden darf, sondern die mesomechanische Gefügestruktur für das Verformungs- und Versagensverhalten mit berücksichtigt werden muss. Entsprechend wurden auch unterschiedliche FE-Simulationen eingesetzt, die zum einen den Werkstoff als Kontinuum betrachten und so zur Verifikation der einzelnen Materialbeschreibungen dienen, zum anderen aber auf Basis eines Einheitszellenmodells oder unter Berücksichtigung der realen Gefügestruktur die mesomechanische Wechselwirkung zwischen Wolframpartikel und Kupfermatrix berücksichtigen. Für das Verbundvorhaben mit dem WZL in Aachen (Prof. Klocke) wurde der Vergütungsstahl C45E unter Berücksichtigung der Gefügestruktur im quasistatischen und dynamischen Geschwindigkeitsbereich untersucht. Hierfür konnten durch spezielle Wärmebehandlungen Gefüge mit sehr großen Körnern gezielt eingestellt werden. Diese haben abhängig von der Versuchstemperatur signifikante Einflüsse auf das Fließverhalten von C45E. Auch der austenitische Werkstoff X2CrNiMo17-12-2 zeigt bei ersten Untersuchungen Größeneffekte auf das Fließverhalten bei unterschiedlichen Probengeometrien. Für das IWT in Bremen wurde der Werkstoff 42CrMo4 im dynamischen Geschwindigkeitsbereich untersucht und mit Hilfe geeigneter Materialmodelle beschrieben. Diese Werkstoffbeschreibung wird nun für die Simulation des Schleifprozesses eingesetzt. Der in diesem SPP durchgeführte Ringversuch bei Stauch- und Zugbeanspruchung bestätigt eine sehr gute Vergleichbarkeit der teilnehmenden Institute bei der Prüfund Messtechnik.

Publications

• Bestimmung des Fließverhaltens durch Stauch- und Scherversuche an W-Cu Teilchenverbundwerkstoffen unter Berücksichtigung von Größeneinflüssen. In: „Herausforderung durch den industriellen Fortschritt“, Ed. O. W. Buchholz und S. Geisler, Verlag Stahleisen 2003, 151-157, ISBN: 3-514-00703-9
  M. Korthäuer, S. Ataya, E. El-Magd
  
• Scaling effects on the deformation behaviour of W/Cu sintered composite materials. Proceedings 1st Colloquium Process Scaling, Strahltechnik Volume 24, BIAS Verlag, 2003, 57-64, ISBN: 3-933762-14-6
  M. Korthäuer, S. Ataya, E. El-Magd
  
• “Experimental and numerical investigations of the specimen size effects on the flow behaviour of W/Cu composites”. In: "Multiscaling in applied science and emerging technology", Ed. G. C. Sih, Th. B. Kermanidis and Sp. G. Pantelakis, Proceedings of the sixth international conference for Mesomechanics, Patras, 2004, 149-154, ISBN: 960-88104-0-X
  E. El-Magd, M. Korthäuer, S. Ataya
  
• Effects of the deformed volume, volume fraction, and particle size of the deformation behavior of W/Cu composites. In: “Materials for Safety and Health”, ed. G. S. Sih and T. Vu-Kahn, Proceedings of the Seventh International Conference on Mesomechanics, Montreal, 2005, 183-194, ISBN: 2-921145-53-7
  M. Korthäuer, S. Ataya, E. El-Magd
  
• Experimentelle und numerische Untersuchungen von Größeneinflüssen von W/Cu-Teilchenverbundwerkstoffen in Strahltechnik. Ed. F. Vollertsen, Tagungsband 2. Kolloquium Prozessskalierung, BIAS Verlag, Bremen, Band 27, 2005,167-178, ISBN: 3-933762-17-0
  M. Korthäuer, S. Ataya, E. El-Magd
  
• FE-Simulation des Verformungsverhaltens von W/Cu-Teilchenverbundwerkstoffen. Vorträge zum Arbeitskreistreffen „Simulation“ und „Werkstoffmodelle“ im Rahmen des DFG SPP 1138 „Modellierung von Größeneinflüssen bei Fertigungsprozessen“, ed. L. W. Meyer, Eigenverlag, Chemnitz, Juni 2005, CD001, ISSN: 1860-8698
  S. Ataya, M. Korthäuer, E. El-Magd
  
• Größeneffekte bei Stauch- und Scherbelastung von W/Cu-Teilchenverbundwerkstoffen. Vorträge zum Arbeitskreistreffen „Simulation“ und „Werkstoffmodelle“ im Rahmen des DFG SPP 1138 „Modellierung von Größeneinflüssen bei Fertigungsprozessen“, ed. L. W. Meyer, Eigenverlag, Chemnitz, Juni 2005, CD001, ISSN: 1860-8698
  M. Korthäuer, S. Ataya, E. El-Magd
  
• Größeneinflüsse beim mechanischen Verhalten von Wolfram/Kupfer-Teilchenverbundwerkstoffen. Dissertation, RWTH Aachen, 21.09.2006
  Korthäuer, Marcus
  
• Modellierung des Fließverhaltens von W/Cu – Teilchenverbundwerkstoffen unter Berücksichtigung von Größeneinflüssen. Vorträge zum Arbeitskreistreffen "Simulation" und "Werkstoffmodelle" im Rahmen des DFG SPP 1138 "Modellierung von Größeneinflüssen bei Fertigungsprozessen", ed. L. W. Meyer, Eigenverlag, Chemnitz, 2006, CD002, ISSN: 1860-8698
  S. Ataya, M. Korthäuer, E. El-Magd
  
• Modelling of the scaling effects on the deformation behaviour of W/Cu composites. In: “Multiscale Behaviour of Materials and Structures: Analytical, Numerical and Experimental Simulation” ed. G. C. Sih and P. M. S. T. de Castro, Proceedings of the 8th Inter. Conf. on Mesomechanics, Porto, 2006, 147-154, ISBN: 972-8953-07-0
  M. Korthäuer, S. Ataya, E. El-Magd
  
• “Effects of the deformed volume, volume fraction, and particle size of the deformation behaviour of W/Cu composites”. Theoretical and applied fracture mechanics, 46 (2006) 38-45.
  M. Korthäuer, S. Ataya, E. El-Magd
  
• “Numerical Computation of Mechanical Behaviour of Heterogeneous Materials using a Microstructure based Mesomodel”. In: Multiscale Behaviour of Materials and Structures: Analytical, Numerical and Experimental Simulation" ed. G. C. Sih and P. M. S. T. de Castro, Proceedings of the 8th Inter. Conf. on Mesomechanics, Porto, 2006, 49-56, ISBN: 972-8953-07-0
  S. Ataya, M. Korthäuer, E. El-Magd
  
• “Scaling effects on the deformation behaviour of W/Cu composite materials under dynamic loading”. Proc. of 8th Int. Con. Physical & Mech. Behav. Matr. under Dynamic Loading, Dijon 2006, J. Phys. IV (2006)
  M. Korthäuer, S. Ataya, E. El-Magd
  
• Effects of the deformed volume and the volume fraction on the local deformation behavior of W/Cu composites. Key Eng. Mater.Vols 345-346 (2007) pp 1205-1208. Also in 10th Conf. Mech. behv. Mater, 27-30 Mai, Busan, Korea (2007) als CD with ISBN: 0-87849-440-5
  S. Ataya, M. Korthäuer, E. El-Magd
  
• Modellierung des Fließverhaltens von W/Cu –Teilchenverbundwerkstoffen und Stählen unter Berücksichtigung von Größeneinflüssen. Vorträge zum Arbeitskreistreffen "Simulation" und "Werkstoffmodelle" im Rahmen des DFG SPP 1138 "Modellierung von Größeneinflüssen bei Fertigungsprozessen", ed. L. W. Meyer, Eigenverlag, Chemnitz, (05/2007) CD003, ISSN: 1860-8698
  E. El-Magd, S. Ataya, M. Korthäuer
  
• Numerical Simulation of the Mechanical Behaviour of W/Cu Composites. In: “Particle and continuum mechanics aspects of mesomechanics”, Mescomechanics 2007, Ed. G. Sih, M. Abdelaziz, T. Vu Khanh, ISTE Ltd, 2007, 375-383, ISBN: -13: 978-1-84704-025-1
  S. Ataya, M. Korthäuer, E. El-Magd
  
• Size dependent Material Law of W/Cu Composites and Steel X2CrNiMo 17-12-2. 2nd International Conference on New Forming Technology, Bremen, 20-21 Sept., 2007
  S. Ataya, M. Korthäuer, E. El-Magd
  
• “Size effects on the deformation behaviour of W-Cu composites under shear loading”. J. Computational Materials Science, 39, 2007, 219-223
  M. Korthäuer, S. Ataya, A. Salem, E. El-Magd