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Ermittlung des Werkstoffverhaltens und des Beschichtungseinflusses durch ...

15.08.2007
... rechnerische Methoden zur Verkürzung der Entwicklungszeiten im Fahrzeugbau mit Stahl

Kürzere Entwicklungszeiten und steigende Variantenvielfalt in der Automobilindustrie führen zunehmend zu virtuellen Prototypen. Diese werden für die Crashberechnung und Lebensdauerabschätzung sowie der Herstellbarkeitsanalyse eingesetzt.

Die hierfür notwendige Datenbasis sowie das Verständnis der Verformungs- und Versagensmechanismen fließen in die Simulation ein. Ermittelt wurde in diesem Forschungsvorhaben das mechanische Werkstoffverhalten von feuerverzinkten Stahl-Feinblechen, wie sie in der Automobilindustrie eingesetzt werden.

In diesem Gemeinschaftsvorhaben der FOSTA-Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. haben unter Koordination des Stahlinstituts VDEh das Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen (IEHK), Aachen, das Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffkunde der RWTH Aachen (LFW), Aachen, die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin, das Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF), Darmstadt, das Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit der TU Clausthal (IMAB) sowie Unternehmen ARCELOR Bremen GmbH, Bremen, die Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, die ThyssenKrupp Steel AG, Duisburg, und die voestalpine Stahl GmbH, Linz, zusammengearbeitet. Die finanzielle Förderung erfolgte durch die Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen , sowie mit Mitteln der Adam Opel AG, der Audi AG, der BMW AG, der DaimlerChrysler AG, der Wilhelm Karmann GmbH, der Ford Werke GmbH, der Dr.-Ing. h. c. F. Porsche AG und der Volkswagen AG.

Zur Erweiterung der bestehenden Datenbasis aus einem Vorgängerprojekt, in dem unbeschichtete bzw. elektrolytisch beschichtete Feinblechen betrachtet worden sind, wurde in diesem Projekt das mechanische Werkstoffverhalten von feuerverzinkten Stahl-Feinblechen untersucht.

Bei der Ermittlung der elastisch-plastischen Kennwerte im Zugversuch wurde der E-Modul für den Anlieferungszustand, vorverformt sowie vorverformt und wärmebehandelt ermittelt. Anhand der Richtungsabhängigkeit der E-Moduln konnten Werkstofffamilien für die einzelnen Stahlsorten gebildet werden. Die Richtungsabhängigkeit der E-Moduln bleibt mit der Vorverformung erhalten. Nach einer anschließenden Wärmebehandlung, wie sie beim Lackeinbrennen erfolgt, wird der E-Modul des Ausgangszustandes unabhängig vom Reckgrad annähernd wieder erreicht.

Für die numerische Beschreibung des Verfestigungsverhaltens wurden Fließkurven und Breitenänderungskurven bei unterschiedlichen Prüfrichtungen und Prüftemperaturen aufgenommen. Das Niveau der Spannungs-Dehnungs-Kurve fällt mit zunehmender Prüftemperatur ab.

Zur Charakterisierung der Dehnratenabhängigkeit wurden dynamische Zugversuche bei unterschiedlichen Dehnraten und Temperaturen durchgeführt. Um die experimentelle Basis für die Modellierung zu erstellen wurden jeweils die Kennwerte sowie die Fließkurven ermittelt.

Frühzeitig auftretende Einschnürungen im Zugversuch erlauben die Bestimmung von Fließkurven nur bis zur Gleichmaßdehnung. Bei höherfesten mehrphasigen Stählen treten jedoch werkstoffkundliche Besonderheiten auf, die eine Ergänzung erfordern. Daher wurde eine Messeinrichtung für den hydraulischen Tiefungsversuch entwickelt, die eine Fließkurvenaufnahme bis zum Werkstoffversagen und eine praxisnahe Prüfung unter mehrachsigen Spannungszuständen ermöglicht.

Bei der Aufnahme der Grenzformänderungsschaubilder zeigte die Auswertemethode einen äußerst großen Einfluss auf das ermittelte Formänderungsniveau. Die Auswertung paralleler Linienschnitte (ISO-Entwurf) wurde mit einer einfachen Messung der maximalen Formänderung des letzten Bildes vor Riss- bzw. Einschnürungsbeginn verglichen. Im Bereich des einachsigen Zugs liefern beide Verfahren ähnliche Formänderungen, im Gegensatz zum plane-strain Bereich, wo deutliche Abweichungen zwischen beiden Verfahren auftreten.

Zyklische Werkstoffkennwerte dienen zur Bewertung der Lebensdauer von Feinblechstrukturen bei schwingender Beanspruchung auf der Basis von lokalen Dehnungen aus FEM-Rechnungen. Rechnerische Näherungslösungen ermöglichen die Abschätzung der zyklischen Kennwerte aus Daten eines Zugversuchs und ein experimentelles Kurzverfahren ermöglicht dies in kürzester Zeit. Aufgrund der durchgeführten Arbeiten stehen für viele Werkstoffe bzw. Werkstoffgruppen die zyklischen Werkstoffkennwerte zur Verfügung bzw. können einfach abgeschätzt werden.

Aufbauend auf den experimentellen Untersuchungen wurde ein Materialgesetz zur Beschreibung der Fließkurven der untersuchten Werkstoffe bei verschiedenen Temperaturen in einem weiten Dehngeschwindigkeitsbereich entwickelt. Zur Reduzierung der Parameterzahl der Materialbeschreibung wurden die untersuchten Werkstoffe zu Familien gruppiert und innerhalb dieser Korrelationen ermittelt. Der Übergangsbereich vom isothermen zum adiabatischen Materialverhalten wurde lokalisiert und die Abhängigkeit des in Wärme umgewandelten Anteils der Verformungsarbeit von der Dehnrate beschrieben.

In einem Nachfolgeprojekt soll anhand weiterer Stahlsorten die Verifizierung sowie die Grenzen des entwickelten Materialgesetzes überprüft bzw. bestimmt werden.

Der Forschungsbericht kann bei der Verlag und Vertriebsgesellschaft per Fax (+49 (0)211 67 07 129)bestellt werden umfasst 142 Seiten und enthält 80 Abbildungen/Tabellen. Schutzgebühr: € 36,00 inkl. MWSt. zzgl. Versandkosten, ISBN 3-937567-48-8.

Rainer Salomon | idw
Weitere Informationen:
http://www.stahlforschung.de

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