Profile aus hoch- bis ultrahochfesten Stahlwerkstoffen werden vielfach durch klassische Biegeumformprozesse wie z.B. Frei- und Gesenkbiegen oder Walzprofilieren hergestellt. Durch die Kaltumformung und die damit einhergehende Kaltverfestigung des Werkstoffs erhält das Bauteil eine höhere Festigkeit bei ansonsten unveränderten Merkmalen (Werkstoff, Gewicht). Neben der Kaltverfestigung und der Einbringung von Eigenspannungen durch die inhomogene Formänderung tritt bei der Umformung jedoch auch eine zunehmende Schädigung auf. Diese äußert sich durch Porenbildung, Porenwachstum und Porenvereinigigung und beeinträchtigt die Produktqualität. Die Kaltverfestigung, die Eigenspannungen und die Schädigung beeinflussen die mechanischen Eigenschaften und haben jeweils einen eigenständigen Einfluss auf das Bauteilverhalten. Die auftretende Schädigung ist stark vom Biegeverfahren und somit vom Lastpfad, d.h.der zeitlichen Abfolge von Spannung, Dehnung, Temperatur und Dehnrate für einen materiellen Punkt während des Prozesses, abhängig. Eine zusätzliche Überlagerung von Druckspannungen beispielsweise kann die Schädigungsentwicklung positiv beeinflussen. Charakteristisch für die Biegeumformung ist die stark inhomogene Spannungs- und Formänderungsverteilung über die Blechstärke. Die Schädigung wird ausgehend vom Außenbogen im Zugspannungsbereich initiiert und setzt sich in Blechdickenrichtung fort. Die Zusammenhänge zwischen Biegeverfahren, Lastpfad, Schädigungsentwicklung und Bauteilverhalten sind bisher im Stand der Technik nicht systematisch untersucht.

Das übergeordnete Ziel dieses Teilprojekts ist es, die Schädigung bei blechbasierten Biegeprozessen vorherzusagen, zu kontrollieren und technisch zu nutzen.In der ersten Förderperiode wird das Freibiegen wegen seines grundlegenden Charakters und der Möglichkeiten zur Lastpfadbeeinflussung im Hinblick auf die Schädigungsentwicklung untersucht. Als Werkstoff wird dabei der Dualphasen-Stahl DP800 betrachtet. Die Beurteilung der Schädigung im gefertigten Biegeteil findet zu Beginn über ein Schädigungskriterium (Cockcroft-Latham) und über etablierte Schädigungsmodelle (Lemaitre und Gurson-Tvergaard-Needleman) statt. Alle Kriterien und Modelle benötigen dabei eine Parameteridentifkation. Die Qualifizierung geeigneter effizienter Charakterisierungsmethoden zur qualitativen und quantitativen Beschreibung der Schädigung beim DP800 findet in Zusammenarbeit mit den Teilprojekten B02 und B05 statt. Das Bauteilverhalten wird über Ermüdungsversuche in Zusammenarbeit mit Teilprojekt B01 untersucht. Zur eindeutigen Untersuchung des Einflusses der Schädigung auf das Bauteilverhalten müssen die Einflüsse der Verfestigung und der Eigenspannungen separiert werden. Dazu werden Härte- und Eigenspannungsmessungen sowie Spannungsarmglühen durchgeführt. Ab der zweiten Hälfte der ersten Förderperiode werden die Schädigungsmodelle durch weiterentwickelte Modelle aus dem Forschungsbereich C (insbesondere Teilprojekt C02) ersetzt und überprüft. Zudem werden dann Blechhalbzeuge mit bekannter Vorschädigung von Teilprojekt A04 für Biegeversuche zur Untersuchung des Einflusses der Umformhistorie bereitgestellt.

Die zentrale Fragestellung für die erste Förderperiode lautet: Wie lässt sich die Schädigung beim Freibiegen vorhersagen und kontrollieren? Zur Beantwortung werden folgende Teilfragestellungen untersucht:

  • In welchem Maße kann der Lastpfad beim Freibiegen durch Variation der Prozessparameter (z.B. Blechbreite, Reibung, Werkzeugradius oder gezielte Spannungsüberlagerung) beeinflusst werden?
  • Wie wirken sich die Lastpfadänderungen auf die Schädigungsentwicklung aus (z.B. Porenvolumen, Verteilung über die Blechstärke)?
  • Wie wirkt sich die Umformhistorie auf die Schädigungsentwicklung aus?
  • Wie lassen sich schädigungskontrollierte Prozessrouten oder Prozessmodifikationen durch gezielte Spannungsüberlagerung beim Freibiegen anhand des Zusammenhangs zwischen Schädigungsentwicklung und Lastpfad ableiten?
  • Wie ist der Zusammenhang zwischen der Schädigung und dem Bauteilverhalten (z.B. anhand von Ermüdungsversuchen)? Wie lassen sich hierbei die Effekte der Schädigung von den Effekten der Verfestigung und Eigenspannungen separieren?

Ziel der zweiten Förderperiode ist die technologische Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse in schädigungskontrollierten Prozessen in neu- oder weiterentwickelten Verfahren (z.B. Walzprofilieren mit Druckspannungsüberlagerung). In der dritten Förderperiode steht die Erweiterung des Werkstoffspektrums unter Berücksichtigung unterschiedlicher Temperaturführungen im Prozess und weiterer Blechbiegeverfahren im Vordergrund.

Projektleitung
Prof. Dr.-Ing. Dr.- Ing. E. h. A. Erman Tekkaya
Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL), TU Dortmund

Projektbearbeitung
Rickmer Meya M.Sc.
Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL), TU Dortmund