Beschreibung des mechanischen Werkstoffverhaltens beim Warmumformen höchstfester Stähle

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5471163

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Förderphase stehen im Rahmen der Forschungsarbeiten der zweiten Förderphase die für eine realitätsnahe Simulation des Presshärtprozesses notwendige Charakterisierung und Beschreibung des Fließverhaltens, sowohl in Abhängigkeit des Spannungszustandes als auch der Dehnrate, und hier speziell mit dem Fokus auf hohe Dehnraten bis zu 10 s^-1, im Vordergrund. In diesem Zusammenhang wird das in der ersten Förderphase entwickelte Fließkurvenmodell auf seine Allgemeingültigkeit hin überprüft. Hierfür sind vor allem Fragestellungen bezüglich der Dehnratensensitivität und des Verfestigungsverhaltens zu klären. Um neben dem einachsigen Zugspannungszustand den Werkstoff auch unter Druckbelastung charakterisieren zu können, ist der Aufbau des Schichtstauchversuchs in der Universalprüfmaschine Gleeble 3500 mit konduktiver Probenerwärmung realisiert worden. Aus Sicht der numerischen Prozessauslegung stellt neben den elastischen und plastischen Werkstoffkenngrößen die Kenntnis der tribologischen Verhältnisse in der Wirkfuge, welche durch die Reibzahl beschrieben wird, eine wesentliche Eingangsgröße für die FE-Simulation von Umformprozessen dar. Daher ist im Fortsetzungszeitraum die Reibzahl unter prozessnahen Bedingungen in Abhängigkeit der Temperatur, der Kontaktbedingungen und der Umformgeschwindigkeit ermittelt worden. Hierfür sind Warmnapfzugversuche in einem temperierten Werkzeug in Abhängigkeit der die Reibverhältnisse beeinflussenden Parameter durchgeführt worden, zu welchen die Flächenpressung, die Temperatur, die Umformgeschwindigkeit sowie die Oberflächentopographie zählen. Die Bestimmung der Reibzahl für das tribologische System Blech- Werkzeug erfolgt zum einen in Anlehnung an die Modellierung des Tiefziehprozesses nach Siebel, zum anderen invers durch einen Abgleich der experimentellen Ergebnisse mit denen der FE Simulation. Abschließend soll ein Versagenskriterium für den höchstfesten Vergütungsstahl 22MnB5 unter prozessnahen Bedingungen im austenitischen Gefügezustand auf Basis der Grenzformänderung erarbeitet werden. Hierfür wurden temperatur- und dehnratenabhängige Grenzformänderungsschaubilder aufgenommen und hinsichtlich der maximal ertragbaren Formänderungen ausgewertet. Um eine Detektierung der Grenzformänderung unter idealisierten, aber prozessrelevanten Bedingungen zu gewährleisten, muss zum einen die Versuchsführung dahin gehend optimiert werden, dass während der Prüfung auftretende Phasenumwandlungen vermieden werden, zum anderen muss die zwischen Stempel und Werkzeug wirkende Reibung soweit minimiert werden, dass eine Dehnungsbehinderung vermieden werden kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Characterization of tribological and thermal properties of metallic coatings for hot stamping boron-manganese steels. In: Bouzakis, K.-D. (Hrsg.): Tagungsband 7th THE Coatings Conference (2008), Kassandra-Chalkidiki, Griechenland, Thessaloniki: Editions Ziti, S. 219-228
  Merklein, M.; Lechler, J.; Stöhr, T.
  
• Determination of frictional and thermal characteristics for hot stamping with respect to a numerical process design. In: Steinhoff, K.; Oldenburg, M.; Prakash, B. (Hrsg.): Tagungsband 1st International Conference Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel - CHS2 (2008), Bad Harzburg: Grips Media, S. 293-300
  Stöhr, T.; Merklein, M.; Lechler, J.
  
• Prognose der mechanischen Bauteileigenschaften bei Presshärtprozessen anhand mikrostruktureller und umformtechnischer Zusammenhänge. In: Merklein, M. (Hrsg.): Tagungsband 3. Erlanger Workshop Warmblechumformung (2008), Bamberg: Meisenbach, S. 87-106
  Springer, R.; Lechler, J.; Stöhr, T.; Karbasian, H.; Schaper, M.; Merklein, M.; Brosius, A.; Tekkaya, A. E.
  
• Einfluß unterschiedlicher Wärmebehandlungsrouten auf die Robustheit und Höhe der mechanischen Eigenschaften des Stahls 22MnB5. In: Merklein, M. (Hrsg.): 4. Erlanger Workshop Warmblechumformung (2009), Bamberg: Meisenbach, S. 85-106
  Glatzer, M.; Stöhr, T.; Merklein, M.; Sikora, S.
  
• Investigations on different strategies for influencing the microstructural properties with respect to partial hot stamping. In: Steinhoff, K.; Oldenburg, M.; Prakash, B. (Hrsg.): Conference Proceedings, 2nd International Conference Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel - CHS² (2009), Auerbach: Verlag Wissenschaftliche Scripten, S. 273-281
  Stöhr, T.; Lechler, J.; Merklein, M.
  
• Investigations on the thermal behavior of ultra high strength boron manganese steels within hot stamping. In: Boogaard, Akkerman (Hrsg.): Tagungsband Esaform 2009 (April 2009), Nr. 1, Enschede, S. 259-262
  Merklein, M.; Lechler, J.; Stöhr, T.
  
• Investigations on the thermal behavior of ultra high strength boron manganese steels within hot stamping. In: International Journal of Material Forming, (2009) Paris, S. 259-262
  Merklein, M.; Lechler, J.; Stöhr, T.
  
• Weiterführende Untersuchungen zum Fließverhalten presshärtbarer Stähle. In: Merklein, M. (Hrsg.): Tagungsband 4. Erlanger Workshop Warmblechumformung (2009), Bamberg: Meisenbach, S. 71-84
  Stöhr, T.; Merklein, M.; Lechler, J.
  
• Analytic Methods for the Calculation of the Heat Transfer Coefficient. In: International Review of Mechanical Engineering, (2010) 4, Neapel, S. 208-215
  Merklein, M.; Wieland, M.; Stöhr, T.; Lechler, J.; Grüner, M.
  
• Basic Investigations on Hot Stamping of Tailor Welded Blanks Regarding the Manufacturing of Lightweight Components with Functionally Optimized Mechanical Properties. In: Transactions of the North American Manufacturing Research Institution of SME 2010, 38(2010) Dearborn, Michigan, USA, S. 593-600
  Lechler, J.; Stöhr, T.; Kuppert, A.; Merklein, M.
  
• Beschreibung des mechanischen Werkstoffverhaltens beim Warmumformen höchstfester Stähle. In: Merklein, M. (Hrsg.): Tagungsband 5. Erlanger Workshop Warmblechumformung (2010), Bamberg: Meisenbach, S. 39-62
  Stöhr, T.; Merklein, M.
  
• Herstellung von funktionsoptimierten Bauteilen im Presshärtprozess . In: Stahlinstitut VDeH (Hrsg.): Stahl und Eisen, (2010) 6, Düsseldorf, S. 51-57
  Merklein, M.; Lechler, J.; Stöhr, T.; Svec, T.
  
• Interlaboratory comparison for heat transfer coefficient identification in hot stamping of high strength steels. In: University of Brescia: Tagungsband Esaform 2010, (2010), Paris, auf CD veröffentlicht
  Bosetti, P.; Bruschi, S.; Stöhr, T.; Lechler, J.; Merklein, M.
  
• Interlaboratory Comparison of Friction Conditions in Hot Stamping Operations. In: Merklein, M.; Bach, F.-W.; Bouzakis, K.-D., Denkena, B.; Geiger, M.; Toenshoff, H.-K.(Edt.): Tagungsband 8th International Conference THE Coatings in Manufacturing Engineering, 438 (2010) Zurich, Switzerland, S. 97-105
  Borsetto, F.; Ghiotti, A.; Bruschi, S.; Stöhr, T.; Lechler, J.; Merklein, M.
  
• Maßgeschneidert – Funktionsoptimierte Strukturbauteile im Presshärtprozess. In: J. Winterhagen (Hrsg.): lightweight-design, 5 (2010), Wiesbaden, S. 52-57
  Merklein, M.; Svec, T.; Stöhr, T.; Wieland, M.
  
• Thermo-Mechanical Properties of Tailor Welded Blanks in Hot Sheet Metal Forming Processes. In: Kolleck, R.(Edt.): Tagungsband 50th Conference of IDDRG 2010, (2010) 50, Graz, S. 37-48
  Lamprecht, K.; Deinzer, G.; Stich, A.; Lechler, J.; Stöhr, T.; Merklein, M.
  
• Investigations on the Flow Behavior of Boron-Manganese Steels at elevated strain rates. In: Steinhoff, K.; Oldenburg, M.; Prakash, B. (Hrsg): Tagungsband 3rd International Conference Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel - CHS2, (2011), Auerbach, Germany: Verlag Wissenschaftliche Scripten, S. 115-122
  Stöhr, T.; Merklein, M.