Charakterisierung des Fließverhaltens von Magnesiumblechen bei erhöhten Temperaturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das abgeschlossene Projekt hatte zum Ziel, grundlegende Voraussetzungen zu schaffen, um das Fließverhalten von Blechwerkstoffen in Abhängigkeit der Temperatur und des Spannungszustands zu charakterisieren, sowie die Ergebnisse der Werkstoffcharakterisierung in Form allgemeingültiger Fließkriterien darzustellen, um damit die Werkstoffmodellierung im Rahmen von Finite-Elemente-Analysen (FEA) entscheidend zu verbessern. Motiviert wurde dieses Projekt durch die allgemein wachsende Bedeutung von Leichtbauwerkstoffen in der Blechumformung und hier insbesondere dem Potenzial von Magnesiumknetlegierungen wie beispielsweise AZ31. Aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur von Magnesiumblechwerkstoffen ist deren Umformbarkeit bei Raumtemperatur stark eingeschränkt, so dass die Herstellung von Blechbauteilen erst bei Temperaturen ab etwa 200 °C möglich ist. Für die dafür notwendige, auf numerischen Berechnungen basierte Prozessauslegung sind Werkstoffmodelle erforderlich, die das von der Temperatur und dem Spannungszustand beeinflusste Fließverhalten abbilden. Dazu muss das reale Werkstoffverhalten gemäß den genannten Abhängigkeiten experimentell ermittelt und anschließend durch ein geeignetes Fließkriterium theoretisch dargestellt werden. Damit ist die Voraussetzung für die Implementierung der charakteristischen Werkstoffeigenschaften in numerische Berechnungsprogramme geschaffen. Entsprechend dieser Anforderungen wurde das Projekt in drei Bereiche gegliedert. In einem ersten Schritt wurden zunächst die grundlegenden Voraussetzungen zur experimentellen Ermittlung des realen Fließverhaltens von AZ31 bei erhöhten Temperaturen und variablen Spannungszuständen erarbeitet. Dazu wurde ein Prüfstand realisiert, der eine zweiachsige Zugbeanspruchung mit einstellbarem Verhältnis der beiden Hauptspannungen ermöglicht Von entscheidender Bedeutung ist dabei, dass die Berechnung der Fließspannungen ausschließlich auf experimentell ermittelten Werten sowie verifizierten, analytischen Modellen basiert. Weiterhin wurde eine Methodik zur Ennittlung der wahren Plastifizierung des untersuchten Werkstoffs entwickelt. Dabei werden die Messwerte der Versuchsdurchfühaing mittels statistischer Methoden analysiert, so dass der Zeitpunkt des Fließbeginns mit Hilfe des angewendeten Auswerteverfahrens unabhängig von Werkstoff, Prüftemperatur und Spannungszustand bestimmt wird. Damit wird vermieden, dass statt des Beginns der Werkstoffplastifizierung ein definierter Grenzwert wie etwa Rpo,2 oder Wpo.2 ermittelt wird. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden Fließorte mit dem entwickelten Prüfstand und der erarbeiteten Auswertemethodik experimentell bestimmt und anhand der Aluminiumknetlegierung AA6016, die als Referenzwerkstoff dient, verifiziert. Im zweiten Schritt wurden aufbauend auf den erarbeiteten Prüfmethoden und Auswertestrategien die experimentellen Untersuchungen für die Magnesiumknetlegierung AZ31 bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen, d.h. in einem Bereich von 200 °C bis 310 °C, durchgeführt. Damit war es möglich, das Fließ- und VerfestigungsverhaJten des Blechwerkstoffs In Abhängigkeit von Temperatur und Spannungszustanö zu ermitteln. Als wesentliche Ergebnisse dieser Untersuchungen sind die bei Temperaturen von mehr als 200 °C signifikante Reduzierung des Fließspannungsnievaus sowie die Verbesserung der Umformbarkeit, die sich in den maximal erreichbaren Vergleichsumformgraden nach von Mises ausdrückt, festzuhalten. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass das Umformniveau zu Dehnungsbeginn von der Prüftemperatur beeinflusst wird. Mittels verschiedener Fließgesetze wurde die Modellierung des charakteristischen Werkstoffverhaltens von AZ31 untersucht. Insbesondere mit dem von Cazacu und Barlat vorgeschlagenen Kriterium konnten die experimentell ermittelten Fließorte bei Raumtemperatur und bei 200 °C sehr gut abgebildet werden. In einem letzten Schritt wurde die Implementierung des Fließkirteriums in die FE Simulation und dessen Anwendbarkeit in der numerischen Prozesssimulation geprüft. Anhand eines Demonstratorbauteils sollte gezeigt werden, dass durch Venwendung höhenwertiger Werkstoffmodelle eine deutlich verbesserte Abbildung des Umformprozesses gegenüber den bislang für die Berechnung von Magnesiumknetlegierungen venwendeten Modellen erreicht werden kann. Weiterer Forschungsbedarf besteht hinsichtlich der Enweiterung des untersuchten Werkstoffspektrums und der Implementierung temperaturabhängiger Fließortkurvenbeschreibungen in kommerzielle FE Programme. Die grundlegenden Voraussetzungen zur experimentellen Ermittlung von Fließorten wurden im Rahmen dieses Projekts geschaffen und ihre allgemeingültige Anwendbarkeit anhand der Aluminiumknetlegierung EN AW-6016 und der Magnesiumknetlegierung AZ31 nachgewiesen. Insbesondere das Verfahren zur Bestimmung des Fließbeginns zeigt großes Anwendungspotenzial für andere Prüfverfahren, die auf die Charakterisierung des Fließverhaltens von Blechwerkstoffen abzielen wie etwa der Scherzugversuch oder der hydraulische Tiefungsversuch. Wegen des stark variierenden Werkstoffverhaltens von AZ31 in Abhängigkeit einer Zug- oder Druckbelastung, dem so genannten strength differential effect (SDE), ist die temperaturabhängige Ermittlung von Fließorten unter Scherbeanspruchungen sowie ein- und zweiachsigen Druckbeanspruchungen für deren ganzheitliche Beschreibung unerlässlich. Zur Beurteilung der im Rahmen des Forschungsprojekts ermittelten Folgefließorte sind ergänzende Untersuchungen mit definiert gedehnten Halbzeugen notwendig. Die gesammelten Ergebnisse sollen abschließend in die Gestaltung eines neuen, auf dem Ansatz von Cazacu und Barlat basierenden Fließgesetzes, das das reale Werkstoffverhalten und hier insbesondere den temperaturabhängigen SDE abbildet, einfließen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Charakterisierung der Fließeigenschaften von Aluminium - und Magnesiumblechwerkstoffen. In: GWT-TUD MBH (Hrsg.): Leichtbau durch Umformtechnik (2005), S. 245 - 256
Geiger, M., Merklein, M.; Hußnätter, W.
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Novel concept of experimental setup for characterisation of plastic yielding of sheet metal at elevated temperatures. Journal of Advanced Materials Research 6-8 (2005), 657-664
Geiger, M.; Van der Heyd, G.; Merklein, M.; Hußnätter, W.
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Optimisation of Specimen's Geometry for Characterisation of Plastic Yielding of In: Banabic, D. (Hrsg.): Proceedings of the 8th Esaform Conference on Material Forming (2005), S. 249-252
Geiger, M., Merklein, M.; Hußnätter, W.
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Characterization of yielding a n d hardening of AA6016. In: Santos, A. D.; Darocha, A. B. (Hrsg.): Proceedings of IDDRG Conference 2006 (2006), S. 105-112
Hußnätter, W.; Merklein, M.
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Ermittlung prozessrelevanter Werkstoffkenngrößen für die Blechumformung bei erhöhten Temperaturen. In: Borsutzki, M.; Geisler, S. (Hrsg.): Tagungsband Werkstoffprüfung 2006 (2006), Düsseldorf : Verlag Stahleisen GmbH, S. 227-232
Merklein, M.; Hußnätter, W.; Hecht, J.
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Experimental Setup for Determination of Yield Loci - Demands of Accuracy. In: Proceedings of 4th ISPF 2006, S. 215-218
Hußnätter, W.; Geiger, M.
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Innenhochdruck-Umformen von Magnesiumblechen. In: Remmel , J. (Hrsg.): Karosserie 1 (2006), Renningen : Expert Verlag, S. 1-21
Merklein, M.; Hecht, J., Hußnätter, W.; Geiger, M.
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Characterization of yielding of sheet metal at elevated temperatures. Journal of Materials Processing Technology 191 (2007), 20-23
Hußnätter, W.; Merklein, M.; Geiger, M.
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Charakterisierung der Umformeigenschaften von Blechwerkstoffen - Trends und Möglichkeiten der Prüftechnik. In: Pohl, M. (Hrsg.): Tagungsband Werkstoffprüfung 2007 (2007), Düsseldorf: Stahleisen GmbH , S. 201 - 210
Merklein, M.; Hußnätter, W.; S taud, D.; Dubiel, K.; Kuppert, A.
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Detection of the real plastification in a biaxial tension test. Key Engineering Materials 344 (2007), 105-112
Hußnätter, W.
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Experimental Determination of Yielding of the Aluminum Wrought Alloy AA6016 for Biaxial Loading. In: Proc. of COMA 07 (2007), S. 243-248
Hußnätter, W.; Merklein, M.; Geiger, M.
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Influence of Temperature on Yield Loci of Magnesium Alloy. In: Geiger , M.; Otto, A.; Schmidt, M. (Hrsg.): Proceedings of LANE2007 (2007), Bamberg : Meisenbach , S. 519-532
Hußnätter, W.; Merklein, M.; Geiger, M.
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Specimen for a novel concept of the biaxial tension test. Journal of Materials Processing Technology 167 (2005), 177-183
Geiger, M.; Hußnätter, W.; Merklein, M.
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Specimen fora Novel Concept of Biaxial Tension Test - Design and Optimisation. In: Banabic,. D. (Hrsg.): Advanced Methods in Material Forming (2007). Berlin: Springer, S. 119-129
Hußnätter, W.; Merklein, M.; Geiger, M.
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Umfonnen von Magnesiumblechen im Doppelpack. Maschinenmarkt - Das Industriemagazin, 22 (2007), 48-51
Merklein, M.; Hußnätter, W.; Hecht, J.
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Characterization of Yielding Behavior of Sheet Metal under Biaxial Stress Condition at Elevated Temperatures. Annals of CIRP 57/1 (2008), 269-274
Merklein, M.; Hußnätter, W.; Geiger, M.
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Characterization of Yielding of Magnesium Alloy AZ31 with BBC2005. In: Proceedings of 1CTP2008 (2008), S. 782
Hußnätter, W.; Banabic, D.; Merklein, M.; Geiger, M.
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Experimental Determination of Yield Loci for Magnesium Alloy AZ31 under Biaxial Tensile Stress Conditions at Elevated Temperatures. Production Engineering 3 (2008), 303-310
Geiger, M.; Merklein, M.; Hußnätter, W.; Grüner, M.
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Grundlegende Untersuchungen zur experimentellen Ermittlung und zur Modellierung von Fließortkurven bei erhöhten Temperaturen. Bamberg : Meisenbach, 2008. ISBN 978-3-87525-279
Hußnätter, W.
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Material Characterization of Sheet Metal at Elevated Temperatures Using Optical Technologies. In: Tagungsband 8. Intemationaler Kongress für Optische Technologien (2008), S. 87-92
Hußnätter, W.; Grüner, M.; Merklein, M.
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Yielding of Magnesium Alloy AZ31. In: Proceedings of ICTP2008 (2008), S. 109
Hußnätter, W.
