Projektbeschreibung

Das Ziel des Teilprojekts ist die Untersuchung der Beeinflussung der Betriebseigenschaften des Werkstoffs durch eine duktile Schädigung der Mikrostruktur infolge umformtechnischer Formgebung. Anhand von Wechselverformungsversuchen wird ermittelt, inwiefern ein im Vorfeld zu bestimmender initialer Schädigungsgrad die Lebensdauer eines Probekörpers / Bauteils im Vergleich zu einem nicht umgeformten Referenzzustand (Ausgangszustand) herabsetzt.

Die wissenschaftliche Zielsetzung besteht darin, eine Kurzzeitversuchsmethodik zu qualifizieren, die die Interaktion zwischen einer duktilen Vorschädigung und einer einsatzbedingten Ermüdungsschädigung aufzeigt und eine Beurteilung des geschädigten Werkstoffs hinsichtlich seiner Betriebseigenschaften zulässt. Die zu entwickelnde Methodik basiert auf einem instrumentierten Mehrstufen-Schwingversuch, der durch den Antragsteller bereits erfolgreich zur Evaluierung der Eigenschaften metallischer Werkstoffe eingesetzt wird. Das in-situ-Monitoring der Schädigungsevolution erfolgt durch einen kombinierten Messaufbau, der Sensoren zur Spannungs-Dehnungs-Hysteresemessung, zur Erfassung von verformungsinduzierten Temperaturänderungen und zur Detektion von Änderungen des elektrischen Widerstands beinhaltet. Mittels optischer Systeme wird eine ortsaufgelöste Beurteilung des oberflächenbezogenen Dehnungs- und Temperaturfelds durchgeführt, sodass geschädigte Werkstoffbereiche anhand von Verformungsinhomogenitäten und örtlichen Wärmequellen lokalisiert werden können. Die betroffenen Gebiete werden mittels einer mikromagnetischen Multiparameteranalyse zerstörungsfrei hinsichtlich ihrer Gefügezusammensetzung und ihres Schädigungsgrads untersucht. Ausgehend von einer im Verbund mit den Projektpartnern im Bereich B durchgeführten metallografischen Analyse der Prüfobjekte hinsichtlich des initialen Schädigungsgrads, wird die Schädigungsentwicklung im Versuch bewertet und der Einfluss von Mikrodefekten untersucht. Ergänzend werden Versuchsreihen an wärmebehandelten Prüfobjekten durchgeführt, um die Auswirkungen sonstiger während der Kaltumformung auftretenden Mikrostruktur-veränderungen, bspw. einer erhöhten Versetzungsdichte, von einer Schädigung durch geometrische Fehlstellen zu separieren.

 

Geplante Versuchsmethode zur Analyse der zyklischen Schädigungsevolution in Abhängigkeit einer duktilen Vorschädigung

Im Teilprojekt B01 wird primär die Prozessroute Massivumformung bzw. der hierbei verwendete Werkstoff 16MnCrS5 evaluiert, zudem wird eine Übertragbarkeit der erarbeiteten Strategie auf den Blechwerkstoff DP800 nachgewiesen. In der zweiten Hälfte der ersten Förderperiode erfolgt eine Beurteilung entlang der Prozesskette Massivumformung, um ein grundlegendes Verständnis über die Interaktion der einzelnen Umformprozesse und Lastpfade im Hinblick auf den jeweils erzielten Werkstoffzustand zu generieren. Die Ergebnisse werden mittels etablierter analytischer Ansätze zur mathematischen Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter Wechselbeanspruchung in eine Prozess-Schädigungs-Eigenschafts-Beziehung überführt, die als Werkzeug zur Auslegung schädigungskontrollierter Umformprozesse in der zweiten Förderperiode fungieren soll.

In der zweiten Förderperiode liegt der Fokus auf der Betrachtung zusätzlicher Einflussgrößen (Oberflächenbeschaffenheit, Einsatztemperatur) auf das Ermüdungsverhalten der Werkstoffe 16MnCrS5 und DP800 sowie auf Versuchen im Very-High-Cycle-Fatigue-Bereich (VHCF; NB ≫ 107). In der dritten Förderperiode wird das Verhalten bauteilähnlicher Prüfobjekte untersucht und eine Strategie zur Qualitätssicherung in der industriellen Praxis erarbeitet.

 

Wichtige Ergebnisse der 1. Förderperiode

Zur Erfassung des duktilen Schädigungszustands aufgrund verschiedenster Lastpfade, beispielsweise bedingt durch Variation des Schulteröffnungswinkels oder des Umformgrads, wurde eine zerstörungsfreie mikromagnetische Messmethode und -strategie weiterentwickelt und validiert. Für Proben, denen verschiedene Umformprozessparameter zugrunde liegen, wurde im folgenden Schritt die Leistungsfähigkeit auf Basis der Mikrostrukturcharakterisierung und des Ermüdungsverhaltens in Schwingversuchen beurteilt.

Mikromagnetische Erfassung der duktilen Schädigung entlang der Prozesskette
Zur Schädigungscharakterisierung wurde in der ersten FP ein leistungsstarkes 3MA-II System (Mikromagnetische Multiparameter-, Mikrostruktur- und Spannungs-Analyse) des Fraunhofer-Instituts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (FhG IZFP), Abb. 1a), beschafft. Zur reproduzierbaren Charakterisierung wurde je Probengeometrie und Werkstoff ein geometrisch angepasster und reproduzierbare Messungen garantierender Messaufbau entwickelt und validiert. In Abb. 1b) ist der Messaufbau für Rundproben aus 16MnCrS5, in Abb. 1c) für Biegeproben aus DP800 und in Abb. 1d) für Flachproben aus DP800 dargestellt. Über die optimierte Sensorhalterung werden wichtige Systemparameter, wie die Anpresskraft, der Winkel und die Position des Sensorkopfes, bei jeder Messung reproduzierbar eingestellt, sodass relevante Störgrößen eliminiert werden konnten. Das System ermöglicht den Einsatz verschiedener mikromagnetischer Messprinzipien: Zwei von diesen, die Oberwellenanalyse der tangentialen Magnetfeldstärke und das magnetische Barkhausenrauschen (MBR), deren Funktionsprinzipien in [Tes20, Sam18, Sam20] ausführlich beschrieben sind, wurden in der ersten FP erfolgreich zur Schädigungscharakterisierung eingesetzt. Bei der Oberwellenanalyse wird durch einen sinusförmigen Wechselstrom ein Magnetfeld in der Probe induziert. Der sinusförmige Verlauf der magnetischen Feldstärke als Funktion der Zeit wird durch die magnetischen Eigenschaften der Probe verzerrt. Durch eine Fourier-Transformation kann die resultierende Welle in eine Grundwelle und mehrere harmonische Wellen zerlegt werden, die durch ihre Ordnung und Amplitude A beschrieben werden. Die messbare magnetische Koerzitivfeldstärke Hco ergibt sich aus der Feldstärke, bei der die gemessene Welle und Grundwelle übereinstimmen. Als ergänzende Messgröße kann der Klirrfaktor K, der die Verzerrung des Sinussignals und des sinusförmigen Wechselfelds durch den Werkstoff beschreibt, ermittelt werden. Beim MBR wird die zu analysierende Stelle durch ein Magnetfeld der Feldstärke (H) magnetisiert und gleichzeitig eine magnetische Flussdichte (B) in dem ferromagnetischen Werkstoff induziert. Die Änderung der magnetischen Flussdichte B in Bezug auf die magnetische Feldstärke H wird mit Hilfe einer Hystereseschleife beschrieben, aus der unter Verwendung einer Bandpassfilterung die MBR-Parameter, Koerzitivfeldstärke Hcm und maximale MBR-Amplitude Mmax, ermittelt werden können.

b01 1b
                      a)                                        b)                                             c)                                         d)
Abb. 1:
a) 3MA-II System (Mikromagnetische Multiparameter-, Mikrostruktur- und Spannungs-Analyse, FhG IZFP) mit den Messaufbauten für b) Rundproben 16MnCrS5, c) Biegebauteile DP800 und d) Flachproben DP800

Mit reproduzierbaren mikromagnetischen Messungen nach beiden Prinzipien konnte eine qualitative Aussage über den Schädigungszustand an den analysierten Positionen der Werkstoffe erfolgen. Beispielsweise wurde in [Tes20] der Schädigungszustand für den warm gewalzten Werkstoff DP800 vor der Wärmebehandlung mikromagnetisch analysiert. Hierfür wurden Werkstücke der Dicke 140 mm auf die Dicke 110 bzw. 20 mm flachgewalzt (TP A04). Da die Dickenabnahme für den Porenschluss ein kritischer Parameter ist, wurden für diese Untersuchungen zwei unterschiedliche Dickenabnahmen von 5 und 15 mm (Δh5, Δh15) gewählt. Für diese vier Zustände und den Ausgangszustand (AZ) wurden Proben mittels Drahterosion aus der Werkstückmitte in Walzrichtung entnommen und mikromagnetisch charakterisiert. In Abb. 2 ist für jeden Zustand die mit NP bezeichnete Porenanzahl pro mm² aufgetragen, die von TP A04 und in [Tes19] detektiert wurde. Zusätzlich sind die jeweiligen Mikromagnetik-Kennwerte des MBR Mmax sowie der Oberwellenanalyse K und A3 aufgetragen. Für beide Prinzipien konnte eine eindeutige Korrelation der Parameter mit der Porenanzahl bzw. Schädigung nachgewiesen werden.

Abb. 2: Korrelation der Mikromagnetik-Parameter Mmax, K und A3 mit der Porenanzahl bzw. -dichte für unterschiedlich gewalzte Zustände aus DP800 vor der Wärmebehandlung

Im Ausgangszustand wurde eine maximale Porenanzahl von etwa 32,4 Poren pro 100 mm² ermittelt, die mit der gemessenen maximalen MBR-Amplitude Mmax, dem Klirrfaktor K und der Amplitude der 3. Harmoni-schen A3 korreliert. Nach dem Walzen von 140 mm auf 110 mm Dicke nimmt die Porenanzahl durch me-chanisches Schließen und Porenausheilung ab, einhergehend mit einer proportionalen Abnahme der Para-meter der magnetischen Oberwellenanalyse und des MBR, s. [Sam20]. Die geringste Porenanzahl 1,9 bzw. 3,9 pro mm² wurde für die Walzdicke 20 mm erfasst. Dem entsprechen die geringsten Werte des Mikro-magnetik-Analyseverfahrens. Die Vermutung, dass die Messwerte aus der Veränderung der mechanischen Härte resultieren, kann durch geringe Härteveränderungen der verschiedenen Zustände [Lie20] widerlegt werden. Somit bestätigen die Ergebnisse ähnliche Studien, wie [Kny18, Pal05, Ten16], in denen eine Korre-lation der MBR-Parameter mit der Schädigung in Form von Poren nachgewiesen wurde. Des Weiteren konn-te in [Sam20] auch bei kaltgewalzten DP800 Blechen die durch unterschiedliche Biegeumformprozesse in TP A05 eingebrachte Schädigung mittels Oberwellenanalyse detektiert und mit der Triaxialität korreliert wer-den, die ausschlaggebend für die Schädigungsevolution ist. Hierzu wurden durch Freibiegen und durch Druckspannungsüberlagerung im RSS-Biegeprozess umgeformte Bleche gegenübergestellt. Bei beiden Prozessen sind die plastischen Dehnungen identisch, allerdings unterscheiden sich die Triaxialitäten. Es wurden an fünf definierten Punkten entlang der Biegezone die Amplitude der 3. Harmonischen A3 und der Klirrfaktor K erfasst und in Abb. 3 aufgetragen. Erwartungsgemäß ist am Rand (Punkte 1 und 5) für beide Bleche die Schädigung bzw. A3 und K geringer als in der Mitte. Zudem konnte bei dem in TP A05 neu entwi-ckelten RSS-Biegeprozess eine signifikante Schädigungsreduzierung nachgewiesen werden.

Abb. 3: a) 3. Harmonische A3 und b) Klirrfaktor K bei gleicher plastischer Dehnung aber unterschiedlichen Triaxialitäten
Abb. 4: a) 3. Harmonische A3 und b) Klirrfaktor K bei glei-cher plastischer Dehnung und unterschiedlichen Triaxialitäten, 16MnCrS5

Weiterhin wurden in [Sam20] Untersuchungen an 16MnCrS5 Voll-Vorwärts-Fließpress-Bauteilen aus TP A02 mit den Schulteröffnungswinkeln 2α = 30° und 2α = 90° bei gleichen resultierenden Härten und Eigenspannungen mikromagnetisch analy-siert. Für das mit 2α = 90° und positiver Triaxialität hergestellte Bauteil wurde aufgrund höherer umformpro-zessinduzierter duktiler Vorschädigung ein höherer Klirrfaktor K und eine höhere Amplitude der 3. Harmoni-schen detektiert, s. Abb. 4. Folgerichtig konnte auch für diesen Anwendungsfall eine Korrelation der Mikro-magnetik-Messwerte mit der duktilen Vorschädigung aus der Umformung nachgewiesen werden.

Bewertung der zyklischen Leistungsfähigkeit von 16MnCrS5
In der ersten FP wurden Ermüdungsuntersuchungen an Halbzeugen aus 16MnCrS5 gemäß einer werkstoffadaptierten Kurzzeitprüfmethodik durchgeführt [Sta18, Wal14]. Die Betriebseigenschaften des durch Voll-Vorwärts-Fließpressen vorgeschädigten Werkstoffs wurden anhand von Rundproben verifiziert. Die angepasste Versuchsmethodik ermöglicht basierend auf den in Mehr- und Einstufenversuchen detektierten Werkstoffreaktionen eine zeiteffiziente Ermüdungscharakterisierung. Die Ermüdungsversuche erfolgten an einem servohydraulischen Schwingprüfsystem mit der maximalen Prüfkraft ±20 kN unter sensorischer Verwendung. Der Prüfaufbau ermöglichte reproduzierbar eine prozessbezogene Charakterisierung und Quantifizierung der Schädigung entlang der Massivumform-Prozesskette, z.B. [Sam18]. In Abb. 5a) sind die Wechselverformungskurven einer Probe im Ausgangszustand und einer umgeformten Probe (UZ) exemplarisch dargestellt. Die durch Umformung vorgeschädigte Probe entfestigt kontinuierlich während des gesamten Versuchs, erkennbar an der steigenden plastischen Dehnungsamplitude, wohingegen die Probe des Ausgangszustands nach der primären Entfestigung zu Versuchsbeginn maßgeblich durch ein verfestigendes Werkstoffverhalten und eine abnehmende plastische Dehnungsamplitude gekennzeichnet ist. Die aus dem Voll-Vorwärts-Fließpressen resultierende Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit bzw. -lebensdauer ist in den Trend-Wöhlerlinien in Abb. 5b) zu erkennen, die die Ergebnisse der Schwingversuche für Proben des Ausgangszustands und für die Umformgrade φ = 0,5 und 1,0 widerspiegeln. Speziell wurde ein signifikanter Anstieg der Ermüdungsfestigkeit bei der Grenzlastspielzahl NG = 2∙106 um 36% für φ = 0,5 und 55% für φ = 1,0 gegenüber dem Ausgangszustand nachgewiesen. Dieser Unterschied kann auf die verschiedenen Schädigungszustände zurückgeführt werden, da sich die Härte für die untersuchten Schulteröffnungswinkel nicht signifikant unterscheidet (φ = 0,5, 2α = 30°: 245 ± 26 HV; φ = 0,5, 2α = 90°: 224 ± 21 HV). Dennoch sind die Steigungen der Wöhlerlinien vergleichbar (Exponent -0,070 bis -0,073), wie aus der quantitativen Beschreibung der Kurven nach Basquin ersichtlich ist.

  a)                                                                                             b)
Abb. 5:
a) Vergleich von Werkstoffreaktionen während Einstufenversuchen und b) Wöhlerlinien für Proben des Aus-gangszustands und für Proben verschiedener Umformgrade

Bewertung der zyklischen Leistungsfähigkeit von DP800

Abb. 6: Wöhlerlinien für Proben des Aus-gangszustands und unterschiedliche Walzdicken und Dickenabnahme

Die den in der Abb. 2 dargestellten Untersuchungen zugrundeliegenden warmgewalzten DP800-Proben wurden zudem zyklischen Leistungsfähigkeitsuntersuchungen unterzogen, z.B. [Tes20]. Aufgrund der Gefahr des Ausknickens bei Flachproben wurde für diese Versuche das Spannungsverhältnis R = 0,1 (Zugschwellbereich) gewählt. In Abb. 6 sind für alle Zustände die Ergebnisse mit der Maximalspannung σmax und Bruchlastspielzahl NB eingetragen und quantitativ nach Basquin beschrieben. Zwischen den Dickenabnahmen Δh5 und Δh15 ist für UZ1 und UZ2 fast kein Unterschied erkennbar. Ebenso ist kein nennenswerter Anstieg der Ermüdungsfestigkeit durch den Walzprozess von 140 mm auf 110 mm Dicke nachzuweisen, weshalb die Trend-Wöhlerlinien für vergleichbare Eigenschaften in Abb. 6 zusammengefasst wurden. Der Walzprozess auf 20 mm führt zu einer erkennbaren Steigerung der Ermüdungsfestigkeit bzw. -lebensdauer. Eine AZ Probe versagte bei der Maximalspannung σmax = 580 MPa nach der Bruchlastspielzahl NB = 2611 und eine 20 mm Probe bei der Maximalspannung σmax = 660 MPa nach der ähnlichen Bruchlastspielzahl NB = 3381, so dass eine Steigerung der zyklischen Leistungsfähigkeit um ca. 14% erzielt wurde, die auf die Reduzierung der Schädigung bzw. Porenanzahl durch Umformung zurückgeführt werden kann. Bemerkenswert ist, dass für alle fünf Zustände die Trend-Wöhlerlinien zu Beginn bis ca. 105 Lastwechsel einen flachen Verlauf aufweisen und anschließend im HCF-Bereich in einen steileren Verlauf abknicken. Das Abknicken der Wöhlerlinien lässt auf mindestens zwei unterschiedliche Ermüdungsmechanismen schließen, die beanspruchungs- und lebensdauerabhängig dominieren.

Literaturverzeichnis
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Projektleitung
Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Walther
Fachgebiet Werkstoffprüftechnik (WPT), TU Dortmund

Projektbearbeitung
Lukas Lücker M. Sc.
Fachgebiet Werkstoffprüftechnik (WPT), TU Dortmund